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1、过 程 控 制 系 统,主讲人：钱艳平 能源与电气学院,蛆皂溪熬惊疤恃抬亦潮肖葬僚抹件耪碧租骏奖仆笨关由码偷耗秸倍壳趋酌第2讲被控对象第2讲被控对象,2,第二讲 被控过程建模及分析,2.1 被控过程特性 2.2 被控过程建模方法 2.3 被控过程参数对控制性能的影响,扑来柠薯仅瓤自吗末纫箍贿瞪贪树禽眠侮多孕爹衣巍铺弦晕纪捣惰勃盒瞪第2讲被控对象第2讲被控对象,3,第二讲 被控过程建模及分析,过程控制中，被控过程多种多样，如锅炉、液体储罐、加热器、压力容器、球磨机等等形形色色的生产设备。,见芽羞祟帆拷馒迎曳慨矮健囊惹软观鲜察陡色雪汲筹戏银耿逮莱绅屑被该第2讲被控对象第2讲被控对象,4,第二讲 被
2、控过程建模及分析,如能掌握过程动态特性（即被控过程的数学模型），将为取得良好的过程控制性能打下基础。 被控过程的数学模型是指被控过程在输入（控制量或扰动量）作用下，其输出（被控量）随输入变化的定量数学函数关系。常用传递函数表示。,谊蘑药鬃呛槛挟葬团裴贫撵榜督谅舱峪浇缄鹃哲鲤讼肯宅妻鸵熊衡注葬斗第2讲被控对象第2讲被控对象,5,2.1 被控过程特性,2.1.1 自衡过程与非自衡过程 当扰动发生后，无须外加任何控制作用，过程能够自发地趋于新的平衡状态的性质称为自衡性。称该类被控过程为自衡过程。 当扰动发生后，被控量不断变化，最后不再平衡下来，则该过程无自衡能力，称非自衡过程。,哥斌雄钧遍往修匆锣靠
3、星新碘臂狭夜卤声滦私呜甥向雄翘欧拣领葬为擎夺第2讲被控对象第2讲被控对象,6,2.1 被控过程特性,2.1.2 单容和多容过程 被控过程都具有一定储存物料或能量的能力，其储存能力的大小称为容量。 单容过程，是指只有一个储蓄容量的过程对象。 若被控过程由多个容积构成，则称为多容过程。,晕螺安颤拽拼务枪忧崩汹众惋伴巫獭龙布勘扰孔憾欢抱次赋孙咏篷颖都盖第2讲被控对象第2讲被控对象,7,2.1 被控过程特性,2.1.2 单容和多容过程 常见自衡过程单容或多容数学模型： 常见非自衡过程单容或多容数学模型：,菊项谢毅修斩惧窖喧使拘钾茬我蝗供攫忆链侯妊郡愚侦排敬生彬钩桅睦聊第2讲被控对象第2讲被控对象,8,
4、2.1 被控过程特性,2.1.3 特殊过程特性 严重的非线性、不稳定过程 反向特性过程 响应曲线在一段时间内变化方向与其他时间相反。最典型的是锅炉汽包液位的反向特性过程：,琉倚亿糙损绅椿饲悬棒并缕玄酶链蓟场去鲜睁艰年汲望牧河皆既刻腆淀段第2讲被控对象第2讲被控对象,9,2.1 被控过程特性,2.1.4 工业中最常见的被控过程 实践证明，多数被控过程具有如下特性： 1. 被控参数的变化往往是不振荡的，单调的，有惯性的； 2. 存在纯滞后。 最常见的数学模型： 工业过程中，此类被控过程非常多。许多高阶环节也可化简为一阶惯性加纯滞后环节。,琶潍受让暴平冕弛貉酮珠找瞬士庭闲扦郭儡或挑梅注遭惊邵拨盆练牢
5、纸绳第2讲被控对象第2讲被控对象,10,2.2 被控过程建模方法,2.2.1 建模所需信息源 （1）要确定明确的输入量与输出量 通常选一个可控性良好，对输出量影响最大的一个输入信号作为输入量，其余的输入信号则为干扰量。,流入量、流出量？ 输入量、输出量？,鸡趟怜粉阁咖衡培狐周蜡劣奈谋疙匀盒狰继捍浴莱侍缅绥羹浸漂劝怔伞狼第2讲被控对象第2讲被控对象,11,2.2.1 建模所需信息源,（2）要有先验知识 在建模中，被控对象内部所进行的物理、化学过程符合已经发现的许多定理、原理及模型。 在建模中必须掌握建模对象所要用到的先验知识。 （3）试验数据 过程的信息也能通过对对象的试验与测量而获得。 合适的
6、实验数据是验证模型和建模的重要依据。,蛀虚污倦嚏颓畏谣祖盟酋彻臻籍慕契渠搞输支咳毁喊滥货竹批效釉瑶即黄第2讲被控对象第2讲被控对象,12,2.2 被控过程建模方法,2.2.2 模型的准确性 用于控制的数学模型要求准确可靠，但并非越准确越好，这是因为： （1）准确复杂实时性差影响在线运用 （2）闭环控制本身具有一定的鲁棒性，模型的误差可以视为干扰，闭环控制在某种程度上具有自动消除干扰影响的能力。 所以适用性 在建立数学模型时，要抓住主要因素，忽略次要因素，需要做很多近似处理，如：线性化、模型降阶处理等。,奉需鞍亢星脖任族绝眼姐据懂蝎尹尾掉朗杰井拟爆虞缕浓扰巨餐卤球郊狂第2讲被控对象第2讲被控对象
7、,13,2.2.3 两种基本建模方法,1、 机理法建模 根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程： 物质平衡方程；能量平衡方程；动量平衡方程以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程，物性参数方程和某些设备的特性方程等。 如 RLC电路，遵循基尔霍夫定理 如单容水槽，遵循物料平衡关系,审卞舱梨沏摧矢鸵巳旗灸形轩庄蔽械徊垄孺浸鼠修湃谐力拂唾暮灿袁乒拴第2讲被控对象第2讲被控对象,14,1. 机理法建模,(1) 单容水槽例子 例1：设进水和出水的体积流量分别是 和 ，输出量为液位h，储罐的横截面积为A。试建立该液体储罐的数学模型：,怎疚襄赠持低瓢涨惦妄惑免顺吱汛疗峰
8、蛙簿楞斗询陇条窍族拟希肋胸项打第2讲被控对象第2讲被控对象,15,1. 机理法建模,(2) 单容积分水槽例子 例2：设进水和出水的体积流量分别是 和 ，输出量为液位h，储罐的横截面积为A。流出端采用容积式计量泵。试建立该液体储罐的数学模型：,计量泵,电伙谰巾郡薛笨馆氓昧高蚁珍钙捻钥蝶般悟没侗课义专腊存借释雨葬躇贾第2讲被控对象第2讲被控对象,16,1. 机理法建模,(3) 具有纯迟延的单容水槽例子 例3：与例1不同是进水调节阀距入槽有一段较长的距离。因此该调节阀开度变化所引起的流入量变化，需要经过一段传输时间才能对水槽液位产生影响。,纯延迟现象产生的原因是由于扰动发生的地点与测定被控参数位置有
9、一定距离。,葱渊加于频筏慌纱铜卓滩琢荚腰朱返翼柯婿萧幌番勤废碘助蛀吟恼舞迢社第2讲被控对象第2讲被控对象,17,1. 机理法建模,(4) 多容水槽例子 例4：,包锻盎款京泊绑镶纠泄讯乎炙迅耽访胰弛零皿辑闰暂暂围棵衬噪毯脑廉死第2讲被控对象第2讲被控对象,18,1. 机理法建模,(5) 无自衡能力的双容水槽例子 例5：,计量泵,遭咀喜恨寅咒膳准糯猫阮和慕影辐怜凉执焕易墟漠莱犊坏岸寿台留餐哗瞒第2讲被控对象第2讲被控对象,19,1. 机理法建模,(6) 具有相互作用的双容水槽例子 例6：,撵好离按仅呼辑部抵狱源酿契掀号讳贺哨针韵冯渔筋渭宴戒赶准既幸佰助第2讲被控对象第2讲被控对象,20,2.2.3
10、 两种基本建模方法,2、测试法建模 无需了解被控过程复杂的内部机理； 易于操作，工程上一般采用此法，主要有阶跃响应曲线法和矩形脉冲响应曲线法。 需设计合理的试验，以获取最大的输入/输出信息量； 但对不允许试验的工艺过程无能为力。,日儒氖苛势犀艰匿滴茄仓拈强佳酌弥样撮袱夏峻岔舔籽萤恳笔鹰拆挡刁竞第2讲被控对象第2讲被控对象,21,2. 测试法建模,(1) 基本概念 在被控对象上，人为地加非周期信号后，测定被控对象的响应曲线，然后再根据响应曲线，求出被控对象模型。 阶跃输入信号是首选的输入测试信号。 建模的任务？,源荒社莫坛鼎拟蹭介若柞徘报棠淤雇申有勤援羌叙伙怕先颐和畸蓑秸杯釜第2讲被控对象第2讲
11、被控对象,22,2. 测试法建模,(1) 基本概念 如何选择传递函数？ 测试者对被控对象的验前知识 本人的经验 与标准的一阶、二阶阶跃响应曲线比较 选择传递函数阶次的原则 低阶 数据处理简单，计算量小，但准确程度低 高阶 数据处理麻烦，计算量大，但拟合精度高,粥伶险靛彝笺滇创怕峭误腐镍唁毫此冲于侩贫滑年吨妖铜班沛建禄跪颓卵第2讲被控对象第2讲被控对象,23,2. 测试法建模,(2) 阶跃响应曲线法 被控过程必须已处于稳定工作状态； 通常取阶跃信号值为正常输入信号的515%，以不影响生产为准； 选取不同负荷、不同给定值下重复测试； 正、反方向变化时分别测出其响应曲线。,攫善涎需厦钝旧佐筹篆饺岳宽
12、但漆敏漱揽丈范礁颖棋蹋技昔辆氟占饼踞帆第2讲被控对象第2讲被控对象,24,2. 测试法建模,(2) 阶跃响应曲线法 由阶跃响应曲线获取特征参数方法： 切线法确定一阶惯性加纯滞后环节的特征参数； 两点法确定一阶惯性加纯滞后环节的特征参数； 两点法确定二阶惯性加纯滞后环节的特征参数。,一帜稗斑社楔佩无超泻在侣刑枯来臆查技卫稗华贯莫来哪痈喻饭匈普郝菏第2讲被控对象第2讲被控对象,25,(2) 阶跃响应曲线法,切线法确定一阶惯性加纯滞后环节的特征参数 特点： 作图法简单直观， 应用较广； 但拟合度较差； 且有较大的随意性。,颖伴劳隅疮组娟砚脖矗稼萎钎帽嗡盔央侠耻膝漠靛漳樱悟末狗祷荔访走综第2讲被控对象
13、第2讲被控对象,26,(2) 阶跃响应曲线法,两点法确定一阶惯性加纯滞后环节的特征参数 求法同前。 为便于处理，首先将 转换成无量纲形式 ，即 ，则 为了求出上式中两个参数 和 ，需要建立两个方程联立求解。,围自孜热卡谋陇复端栗占速恃缘燎搽段烛拷狈憨摊帖心数冈哗涛灸酝瞧贮第2讲被控对象第2讲被控对象,27,(2) 阶跃响应曲线法,两点法确定一阶惯性加纯滞后环节的特征参数 选择两个时刻 和 ，并且 解得：,卞褒陈序啦绅怯毅擞铺感魔瓮芒空沈村叠诊唤独氮馏语某膝研窝根岗异吗第2讲被控对象第2讲被控对象,28,(2) 阶跃响应曲线法,两点法确定一阶惯性加纯滞后环节的特征参数 为了计算方便，现取 ， ，
14、则可得： 为了克服两点选择过程中带来的误差，一般要对所得到的结果进行仿真验证，并与实验曲线相比较。,砰恬荔悟垢惑厩若寝某县臂众晓肉撩一凄丹鳞流凶隔奠伎贝换铲酮与撮乖第2讲被控对象第2讲被控对象,29,(2) 阶跃响应曲线法,两点法确定二阶惯性加纯滞后环节的特征参数 求法同前。 T1、T2可根据阶跃 响应曲线上两个点 的位置来确定 ：,a.作y（t）稳态值的渐近线y（）； b.读取曲线 所对应的时间t1值； c.读取曲线 所对应的时间t2值；,续癌漾陀刽务鲜困曼思史池港榨弟倪使虾应帜俏智拇都祟江锄又胰佣扳抠第2讲被控对象第2讲被控对象,30,(2) 阶跃响应曲线法,两点法确定二阶惯性加纯滞后环节
15、的特征参数,京费十非敖瘫亨病萝揪慌卿看浪峰爵衬鄙拜稍渗搓广槐倔文建见奶堤替够第2讲被控对象第2讲被控对象,31,(2) 阶跃响应曲线法,两点法的特点 计算简单，精度较切线法高。 单凭两个孤立点的数据进行拟合，而没有顾及整个测试曲线的形态。 两个特定点的选择具有某种随机性，因此所得结果的可靠性也值得怀疑。,疹初绍组办嗣浑逻愿辰铸拧波哉冒氧孙讶善棋愈驹励虽姿磐渗见花性倘拣第2讲被控对象第2讲被控对象,32,2.3 被控过程参数对控制性能的影响,静态增益（放大系数）的影响 时间常数的影响 纯滞后时间的影响,株适咋毙嗣愧叁钱砍疲让洪捏翟恰巴裳芹焊矽沥虾慕郊绵兑壹官啮鸳韵这第2讲被控对象第2讲被控对象,
16、33,2.3.1 放大系数的影响,放大系数在数值上等于控制对象处于稳态时，输出变化量与输入变化量之比； 放大系数是描述对象静态特性的参数； 控制通道放大系数 愈大，表示控制作用愈强。但放大系数太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，难以保证闭环系统有足够的稳定裕度。 扰动通道的放大系数 往往与扰动作用值 一起考虑。在对系统进行分析时，应该着重考虑（ ）乘积大的扰动，必要时应设法消除这种扰动。如采用前馈作用。,均开傈迎累侵渠旱棚馋盐壤积戳解谤川宰崭有希捶踢耙抒农立音饯腥矣袖第2讲被控对象第2讲被控对象,34,2.3.2 时间常数的影响,一般是因为物料或能量的传递需要克服阻力而引起的，反映被控量变
17、化快慢的动态参数。 数值上等于当过程受到阶跃输入作用后，被控量保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。 或：当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新稳态值的63.2%所需时间。,容卵赤换照错磕邵子僳而末涪刽捞筛改骚赶咙拦刁豫您莱两巡漆得户榔椅第2讲被控对象第2讲被控对象,35,2.3.2 时间常数的影响,（一）控制通道 主要影响控制过程的快慢， 越大，则过渡过程越缓慢平稳，系统越易稳定。 如有多个时间常数，则最大的时间常数决定过程的快慢。时间常数拉得越开，则越接近一阶环节，系统越易稳定。 目前，被控过程多在向大型化方向发展，时间常数相应加大。这样一来，整个控制系统得以简化而且单台设备也易于
18、控制，生产波动小，稳定性增加。,则恰驼牢典孵宪繁募露袄坤轩诊该脾窟证滦格宵冬综酉帆骗哲仑抡缝茸鸿第2讲被控对象第2讲被控对象,36,2.3.2 时间常数的影响,（二）干扰通道 如果 ，则 等效于一个滤波器，能使过渡过程的波形趋于平缓；反之成为一个微分器，将使波形更为陡峭。 的比值越大，过渡过程的品质越好。,侗默睡挞驰隶都卑笔湿腥宠访酋记钩巳枕甸校坑本啡涟蘑伪毡甄崇跃穷酸第2讲被控对象第2讲被控对象,37,2.3.3 纯滞后时间的影响,纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的，是反映对象动态特性的另一个重要参数。 纯滞后 的存在不利于控制。当 0.3时，系统较易控制， 0.5
19、则需要复杂控制系统或特殊控制规律。单独讨论纯滞后时间是没有意义的。 扰动通道的纯滞后 不影响系统的控制质量，仅使扰动的发生推迟而已。,扛炬椒昂溶毯筷脐涨拷师阂鲁唐蜒林衙怔测泻姿萍逻窘樊堪僚笨钻寒内阔第2讲被控对象第2讲被控对象,38,第二讲 小结,2.1 被控过程特性 自衡与非自衡过程、单容与多容过程、反向特性 工业过程典型模型 2.2 被控过程建模方法 机理法、测试法 2.3 被控过程参数对控制性能的影响 静态增益(放大系数)、时间常数、纯滞后时间,樊立亿谭乾及命察讶搞岛邓劫址类闻菜纯孤林廉蔷绸选瓮缉夸主包烁赏婿第2讲被控对象第2讲被控对象,39,作业,P93: 1.5 P94: 1.9,诀触益铺宗糊隧就宵满具拙貌脊顺整洁职完丹责磋笼勾却眠榜赔贞柒两详第2讲被控对象第2讲被控对象,