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1、过程动态特性建模与分析,考核说明,基本原则：平时成绩 60%+期末考试40%。 平时成绩包括以下部分： 课堂提问与课堂测试， 25% 用以检验学生预习、复习情况， 学生讲课与研讨课表现， 15% 以小组为单位，针对某些控制问题提出控制方案，由教师随机选择某组员进行讲解；其他同学参与讨论，并评分。 平时作业与仿真报告，20%,概要,过程特性分类 简单被控过程的机理建模方法 调节阀的选择原则 广义对象的概念 测试法建模,一般的反馈控制系统,被控过程动态特性的重要性,不同的被控过程具有不同的特性 很难改变被控过程，很容易改变控制器 控制工程师能做的就是调整控制器使其适合被控过程 对于某一被控过程，最
2、适合其特性的控制器是最好的控制器。,被控过程的分类,自衡过程/稳定对象 (1) 纯滞后过程 (2)单容过程 (3) 多容过程 非自衡过程 例如：某些液位对象与某些放热反应器,被控过程举例#1,被控过程举例#2,被控过程举例#3,该被控过程是否稳定， 为什么 ?,被控过程举例#4,被控对象动态建模方法,机理建模 原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。 特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。 测试建模 原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激励信号，
3、如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。 特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。,机理建模的步骤,根据建模的对象和模型使用的目的进行合理的假设 ； 根据过程的内在机理建立数学方程； 进行自由度分析，保证模型有解； 简化模型。,物料平衡方程：,问题讨论： 如何采用SimuLink建立被控过程的仿真模型并设置初始运行状态?,出口流量与液位的关系：,建模举例 #1,建模举例 #1,建模举例 #1,物料平衡方程：,流体运动方程：,建模举例 #1,线性化：,一阶过程的描述,一阶过程通常的描述方式为：,过程增益K,时间常数T,一阶过
4、程的仿真,无振荡的自衡过程,K反映了输出变化的幅度,一阶过程的仿真（续）,时间常数T反映了输出变化的快慢,建模举例 #2,物料平衡方程：,流体运动方程：,建模举例 #2,物料平衡方程：,流体运动方程：,二阶过程仿真,无振荡的自衡过程,串联系统,一阶对象的串联系统,课堂练习2一阶和滞后过程,课堂练习3,课堂练习3仿真结果,工业过程控制对象的特点,除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象； 对象动态特性存在不同程度的纯迟延； 对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流量对象外的被调量的变化相对缓慢； 被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。,换热器温度控制系统,过程描述与信号流程图 ?,温度控
5、制系统的信号流程图,气动调节阀的结构,u(t)：控制器输出 ( 420 mA 或 010 mA DC)； pc ：调节阀气动控制信号（ 20100kPa ）； l：阀杆相对位置； f ：相对流通面积； q ：受调节阀影响的管路相对流量。,阀门的“气开”与“气关”,1. 气开阀与气关阀 * 气开阀： pc f (“有气则开”) * 气关阀： pc f (“有气则关”) 无气源( pc = 0 )时，气开阀全关，气关阀全开。,2. 气开/气关的选择原则安全性 * 若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。,调节阀的气开气
6、关选择,调节阀的理想流量特性,调节阀理想流量特性：通过控制阀的流量和阀门开度之间的函数关系。,f 为相对流量；l 为相对开度：,线性阀（1）：,等百分比阀或称对数阀（2）：,阀阻比 S100：调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比，即,调节阀工作流量特性,调节阀工作流量特性（续）,线性阀的特性变异,对数阀的特性变异,调节阀流量特性总结,线性阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当开度到达50 70%时，流量已接近其全开时的数值，即Kv随着开度的增大而显著下降。 对数阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的
7、减少， Kv 渐近于常数。,调节阀流量特性的选择,选择原则： 仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于 0. 60 以上（即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。,“广义对象”的概念,特点：（1）使控制系统的设计与分析简化； （2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性； （3）只关心某些特定的输入输出变量。,广义对象的描述,可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象：,过程增益的计算,过程增益计算举例 #1,过程增益计算举例 #2,过程增益计算举例 #3,过程增益备注,过程增益描述了稳态条件下，过程输出对输入变量变化的灵敏度。 被控过程增益包括三
8、部分：符号、数值与单位。 过程增益只涉及两个稳态，因此说过程增益反映了被控过程的静态或稳态特性。有时，也称“静态/稳态增益”。,过程的时间常数,基本定义 对单容过程而言，过程一阶时间常数定义为 过程输出开始变化至达到全部变化的63.2%所需的时间.,过程的时间滞后,基本定义 过程纯滞后时间定义为 过程输入施加激励至过程输出开始变化所需的时间.,关于过程特性参数 K, T,这三个参数的取值描述了一个实际被控过程的基本特性，其中 K 反映静态特性，而T、 反映了过程的动态特性。 由于绝大多数工业过程为非线性对象，即使对于同一被控过程，上述参数也将随工况的变化而变化。 对象两时间参数的比值（/ T）
9、直接关系到控制系统的可控性。/ T越大，控制难度越大。,被控对象动态建模方法,机理建模 原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。 特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。 测试建模 原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。 特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。,对象特性的阶跃响应测试法,借助于阶跃响应试验，获取过程输入输出动态响
10、应数据。 (1) 将控制器改为“手动”操作模式； (2) 以阶跃方式，改变控制器输出； (3) 记录控制器输出与变送器输出响应数据。 基于过程测试数据，估计广义对象的特性参数,阶跃响应测试法1,对象的近似模型：,对应参数见左图，而增益为：,阶跃响应测试法2,广义对象矩形脉冲响应测试法,是矩形脉冲的宽度,结 论,介绍了简单被控过程的机理建模方法与线性化问题； 讨论了调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则； 讲述了“广义对象”的概念及其动态特性的典型测试方法。,下一讲预习讨论题,反馈控制器正反作用的定义是什么？针对具体对象，如何选择控制器正反作用？ 如何评价一个控制系统的品质？ 描述P, PI 与 PID控制器的输入输出关系 对于常见的被控过程，为什么采用P控制器会产生余差而采用PI控制器能消除余差？ 为什么PID控制器中的微分作用在实际过程中使用的不多？ 数字PID的描述 PID参数整定方法,