過程控制電子檔第二章2.1過程建模

1、過程控制 第二章過程控制 第二章過程控制 第二章過程控制 第二章數(shù)學模型數(shù)學模型一一. . 研究并建立數(shù)學模型的目的研究并建立數(shù)學模型的目的1.1.設(shè)計過程控制系統(tǒng)和整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。設(shè)計過程控制系統(tǒng)和整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。2.2.進行仿真試驗研究。進行仿真試驗研究。 3.3.指導生產(chǎn)工藝設(shè)備的設(shè)計。指導生產(chǎn)工藝設(shè)備的設(shè)計。4.4.培訓運行操作人員。培訓運行操作人員。 過程控制 第二章二二. . 數(shù)學模型的有關(guān)概念數(shù)學模型的有關(guān)概念u2.2.數(shù)學模型數(shù)學模型u1.1.被控過程被控過程控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控過程被控過程測量變送測量變送x(t)x(t)+ +- -e(t)e(t)u(t)u(t)q(

2、t)q(t)y(t)y(t)z(t)f1(t) fn(t)u6.6.擾動擾動 內(nèi)擾動內(nèi)擾動外擾動外擾動同一個系統(tǒng)，同一個系統(tǒng)，過程通道不同，過程通道不同，其數(shù)學模型亦其數(shù)學模型亦不一樣不一樣過程控制 第二章u7.7.自衡過程自衡過程和和無自衡過程無自衡過程ox(t)ty(t)to(c)y(t)to(b)y(t)to(a)自衡過程自衡過程無自衡過程無自衡過程過程控制 第二章Q Q0 0Q Q1 1自衡過程自衡過程Q Q0 0Q Q1 1泵泵無自衡過程無自衡過程過程控制 第二章 線性線性非線性非線性只有一個被控量只有一個被控量三三. .過程數(shù)學模型的兩種描述形式過程數(shù)學模型的兩種描述形式參量形式參

3、量形式非參量形式非參量形式過程控制 第二章機理法機理法一、單容過程的建模一、單容過程的建模單容過程單容過程二、多容過程的建模二、多容過程的建模過程控制 第二章（一）自衡單容過程的建模（一）自衡單容過程的建模模型模型dtdhAQQ21h Aqq21dthdAqq21q q1 1q q2 2h hq q1010q q2020 h h0 0q q0 0q q2 2自衡單容過程自衡單容過程q q1 1LA=CA=C21h過程控制 第二章q q2 2h h22RhqR2 2 為閥門為閥門2 2的的阻力系數(shù)阻力系數(shù)，稱為，稱為液阻液阻dthdARhqR2121STKCSR1R)S(Q)S(H)S(W002

4、210K K0 0R R2 2T T0 0R R2 2C CC CdthdAqq21過程控制 第二章dthdARh)t (qR2002s0022000e1STKCSR1R)S(Q)S(H)S(W純滯后純滯后y(t)to(a)無延時無延時ox(t)t自衡單容過程的階躍響應(yīng)曲線自衡單容過程的階躍響應(yīng)曲線y(t)to(b)有延時有延時00過程控制 第二章（二）無自衡單容過程的建模（二）無自衡單容過程的建模模型模型dtdhAQQ212 2dthdCqq21無自衡單容過程無自衡單容過程q q1 1A=CA=C1hq q2 2定量泵定量泵dthdCq1ST1CS1)S(Q)S(H)S(Wa10T Ta a

5、為過程的積分時間常數(shù)，為過程的積分時間常數(shù)，=C=C過程控制 第二章ox(t)ty(t)to無自衡單容過程的階躍響應(yīng)曲線無自衡單容過程的階躍響應(yīng)曲線sa00eST1)S(W過程控制 第二章二、多容過程的建模二、多容過程的建模多容過程多容過程（一）自衡雙容過程的建模（一）自衡雙容過程的建模q q2 2自衡雙容過程自衡雙容過程q q1 1 C C1 121h1h23 C C2 2q q3 3被控量輸入量過程控制 第二章2121121RhqdthdCqq3232232RhqdthdCqqC C1 1、C C2 2、R R2 2、R R3 3同單容過程中的定義，分別為容量系數(shù)和液阻同單容過程中的定義，

6、分別為容量系數(shù)和液阻1)S1)(TS(TK)S(Q)S(H)S(W210120過程控制 第二章被稱為容量滯后被稱為容量滯后oq1th1toh2to自衡雙容過程的階躍響應(yīng)曲線自衡雙容過程的階躍響應(yīng)曲線1)S1).(TS1)(TS(TK)S(Wn2100n0001)S(TK)S(W過程控制 第二章（二）無自衡雙容過程的建模（二）無自衡雙容過程的建模q q2 2無自衡雙容過程無自衡雙容過程q q1 1 C C1 121h1h2 C C2 2q q3 3定量泵定量泵hton=1n=2n=3n=4n=51)S(TST1)S(Q)S(H)S(Wa1202.1.17過程控制 第二章簡化簡化機理法建模的一般步

7、驟機理法建模的一般步驟：根據(jù)建模對象和模型使用目的做出合理假設(shè)根據(jù)建模對象和模型使用目的做出合理假設(shè)根據(jù)過程內(nèi)在機理建立數(shù)學模型根據(jù)過程內(nèi)在機理建立數(shù)學模型 過程控制 第二章小結(jié)小結(jié)：不加專門信號法不加專門信號法正常操作正常操作過程控制 第二章試驗法試驗法特點特點加專門信號加專門信號不加專門信號不加專門信號加專門信號法：加專門信號法：改變改變輸入量輸入量輸出量輸出量過程控制 第二章加專門信號加專門信號階躍響應(yīng)曲線法階躍響應(yīng)曲線法短矩形脈沖響應(yīng)法短矩形脈沖響應(yīng)法一一. .階躍響應(yīng)曲線法階躍響應(yīng)曲線法方法方法過程控制 第二章二二. .矩形脈沖響應(yīng)曲線法矩形脈沖響應(yīng)曲線法方法方法x(t)x2(t)x

8、1(t)ay(t)y(t)y1(t)y*(t)ty*(t)y1(t)tt矩形脈沖響應(yīng)曲線及其轉(zhuǎn)換矩形脈沖響應(yīng)曲線及其轉(zhuǎn)換過程控制 第二章三三. .由階躍響應(yīng)曲線確定過程的傳遞函數(shù)由階躍響應(yīng)曲線確定過程的傳遞函數(shù)!2.2.確定模型結(jié)構(gòu)參數(shù)確定模型結(jié)構(gòu)參數(shù) K0、T、!1.1.由響應(yīng)曲線形狀選定模型結(jié)構(gòu)由響應(yīng)曲線形狀選定模型結(jié)構(gòu)1STK)S(W000) 1ST)(1ST(K)S(W2100s000e1STK)S(Ws2100e) 1ST)(1ST(K)S(WST1)S(Wa0sa0eST1)S(W) 1ST(ST1)S(W0a0s0a0e) 1ST( ST1) S(W過程控制 第二章工程上幾種常用

9、的確定工程上幾種常用的確定K K0 0、T T、的方法的方法G（一）由階躍響應(yīng)曲線確定（一）由階躍響應(yīng)曲線確定一階環(huán)節(jié)一階環(huán)節(jié)的特性參數(shù)的特性參數(shù)G（二）由階躍響應(yīng)曲線確定（二）由階躍響應(yīng)曲線確定一階加滯后一階加滯后環(huán)節(jié)的特性參數(shù)環(huán)節(jié)的特性參數(shù)G（三）由階躍響應(yīng)曲線確定（三）由階躍響應(yīng)曲線確定二階或二階或n n階慣性環(huán)節(jié)階慣性環(huán)節(jié)的特性參數(shù)的特性參數(shù)G（四）由階躍響應(yīng)曲線確定（四）由階躍響應(yīng)曲線確定無自衡過程無自衡過程的特性參數(shù)的特性參數(shù)過程控制 第二章ox(t)tx0y(t)toy()y(0)一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線1)(sTKsWooo1.K1.K0 0的確定的確定2.

10、T2.T0 0的確定的確定 (1)(1)直角坐標做圖法直角坐標做圖法0 0BAG（一）由階躍響應(yīng)曲線確定一階環(huán)節(jié)的特性參數(shù)（一）由階躍響應(yīng)曲線確定一階環(huán)節(jié)的特性參數(shù)00)0()(xyyK2.1.18過程控制 第二章 (2)(2)計算法計算法y(t)oy*()y*(0)tt20.33t10.632)(y) t (y) t (*y2.1.19 y*(t1)=0.632 y*(t2)=0.33，0Tte1) t (*y2.1.20)t (*y1 lntT02.1.211111t1t632. 01 lntT21225t. 24 . 0t33. 01 lntT2.1.22過程控制 第二章 (3)(3)半

11、對數(shù)圖解法半對數(shù)圖解法t30.87y(t)oy*()y*(0)tt20.33t10.632t1t2，T T1=t=t1, T, T221 12 20 02TTT2102.1.2387. 0e-1)(2T*y2Tt00T2T-003時，39. 0e-1)2T(*y2Tt002TT-004時，2.1.241 12 20 0過程控制 第二章G（二）由階躍響應(yīng)曲線確定一階加滯后環(huán)節(jié)的特性參數(shù)（二）由階躍響應(yīng)曲線確定一階加滯后環(huán)節(jié)的特性參數(shù)BAC0T0s0e1)(sTKsWooo1.K1.K0 0的確定的確定2.T2.T0 0的確定的確定00)0()(xyyK2.1.25 (1)(1)直角坐標做圖法直角

12、坐標做圖法拐拐點點D D0 00 0toy(t)y ()ox(t)tx0一階加滯后環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線一階加滯后環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線D過程控制 第二章toy*(t)100% (2)(2)計算法計算法)(y) t (y) t (*y0T- t0 te1 t 0) t (*y002.1.26t1、 t239%t163.2%t2002001Tt2Tt1e1)t (*y e1)t (*y2.1.27過程控制 第二章002001Tt2Tt1e1)t (*y e1)t (*y2.1.27toy*(t)100%39%t163.2%t22 21 1 )t (*y1 lnTt )t (*y1 lnTt2002100

13、12.1.28 )t (*y1 ln)t (*y1 ln )t (*y1 lnt)t (*y1 lnt )t (*y1 ln)t (*y1 ln t -tT212112211202.1.29 y*(t1 y*(t2)=0.0.63，得，得211212120t -2t 632). 0ln(139). 0ln(1 632). 0ln(1t39). 0ln(1t )t -2(t 632). 0ln(139). 01 (ln t -tT2.1.300 0過程控制 第二章G（三）由階躍響應(yīng)曲線確定二階或（三）由階躍響應(yīng)曲線確定二階或n n階慣性環(huán)節(jié)的特性參數(shù)階慣性環(huán)節(jié)的特性參數(shù)toy(t)y()階躍響應(yīng)

14、曲線階躍響應(yīng)曲線sS S形階躍響應(yīng)曲線形階躍響應(yīng)曲線s0e1)(sTKsWooo1)S1)(TS(TK)S(W21001.K1.K0 0的確定的確定同一階環(huán)節(jié)同一階環(huán)節(jié)2.T2.T1 1、T T2 2的確定的確定過程控制 第二章1 12.T2.T1 1、T T2 2的確定的確定t10.4 y()y()toy(t)階躍響應(yīng)曲線階躍響應(yīng)曲線 (1)(1)兩點法兩點法0.8 y()t22 21 12, 2, 1 12 2過程控制 第二章 (2)(2)半對數(shù)圖解法半對數(shù)圖解法（p23-p25p23-p25） 0.55- tt74. 1)T(TTT 2.16 ttTT2122121212146. 0tt

15、32. 02132. 0tt2112. 2ttT2101)S1)(TS(TK)S(W210018. 22ttTTT210212000) 1ST(k)S(W46.0tt211)(sTKsWooo46. 0tt2116n. 2ttT ) 1ST(k)S(W210n000G（四）由階躍響應(yīng)曲線確定無自衡過程的特性參數(shù)（四）由階躍響應(yīng)曲線確定無自衡過程的特性參數(shù) （p25-26p25-26）F F F F 4.4.系統(tǒng)辨識系統(tǒng)辨識 參數(shù)估計參數(shù)估計 確定模型的結(jié)構(gòu)與參數(shù)有兩種方法確定模型的結(jié)構(gòu)與參數(shù)有兩種方法過程控制 第二章 廣義對象廣義對象= =測量元件測量元件+ +變送器變送器+ +調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥+

16、 +被控對象被控對象設(shè)計好調(diào)節(jié)設(shè)計好調(diào)節(jié)器的控制策略器的控制策略小結(jié)小結(jié)過程控制 第二章描述過程特性的參數(shù)對系統(tǒng)的影響描述過程特性的參數(shù)對系統(tǒng)的影響1. 放大系數(shù)放大系數(shù)K K對系統(tǒng)的影響對系統(tǒng)的影響放大系數(shù)越大，操縱變量的變化對被控變量的影響就越大，控制作用放大系數(shù)越大，操縱變量的變化對被控變量的影響就越大，控制作用對擾動的補償能力強，有利于克服擾動的影響，余差就越小；反之，放對擾動的補償能力強，有利于克服擾動的影響，余差就越??；反之，放大系數(shù)小，控制作用的影響不顯著，被控變量變化緩慢。但放大系數(shù)過大系數(shù)小，控制作用的影響不顯著，被控變量變化緩慢。但放大系數(shù)過大，會使控制作用對被控變量的影響

17、過強，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。大，會使控制作用對被控變量的影響過強，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降?？刂仆ǖ揽刂仆ǖ?當擾動頻繁出現(xiàn)且幅度較大時，放大系數(shù)大，被控變量的波動就當擾動頻繁出現(xiàn)且幅度較大時，放大系數(shù)大，被控變量的波動就會很大，使得最大偏差增大；而放大系數(shù)小，即使擾動較大，對被會很大，使得最大偏差增大；而放大系數(shù)小，即使擾動較大，對被控變量仍然不會產(chǎn)生多大影響?？刈兞咳匀徊粫a(chǎn)生多大影響。擾動通道擾動通道2. 2. 時間常數(shù)時間常數(shù)T T對系統(tǒng)的影響對系統(tǒng)的影響 對于擾動通道，時間常數(shù)大，擾動作用比較平緩，對于擾動通道，時間常數(shù)大，擾動作用比較平緩，被控變量的變化比較平穩(wěn)，過程較易控制。被控變量的變化比

18、較平穩(wěn)，過程較易控制。控制通道控制通道 在相同的控制作用下，時間常數(shù)大，被控變量的變化比較緩慢，在相同的控制作用下，時間常數(shù)大，被控變量的變化比較緩慢，此時過程比較平穩(wěn)，容易進行控制，但過渡過程時間較長；若時間常此時過程比較平穩(wěn)，容易進行控制，但過渡過程時間較長；若時間常數(shù)小，則被控變量的變化速度快，控制過程比較靈敏，不易控制。時數(shù)小，則被控變量的變化速度快，控制過程比較靈敏，不易控制。時間常數(shù)太大或太小，對控制上都不利。間常數(shù)太大或太小，對控制上都不利。擾動通道擾動通道過程控制 第二章過程控制 第二章3.3.滯后時間滯后時間對系統(tǒng)的影響對系統(tǒng)的影響 由于存在滯后，使控制作用落后于被控變量的變化，從而使被控變由于存在滯后，使控制作用落后于被控變量的變化，從而使