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1、过程动态特性建模与分析,xxxx浙江大学控制系,1,谢谢观赏,2019-5-24,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%,2,谢谢观赏,2019-5-24,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,3,谢谢观赏,2019-5-24,一般的反馈控制系统,4,谢谢观赏,2019-5-24,被控过程动态特性的重要性
2、,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，最适合其特性的控制器是最好的控制器。,5,谢谢观赏,2019-5-24,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,6,谢谢观赏,2019-5-24,被控过程举例#1,7,谢谢观赏,2019-5-24,被控过程举例#2,8,谢谢观赏,2019-5-24,被控过程举例#3,该被控过程是否稳定，为什么?,9,谢谢观赏,2019-5-24,被控过程举例#4,10,谢谢观赏,2019-5-24,被
3、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。,11,谢谢观赏,2019-5-24,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
4、由度分析，保证模型有解；简化模型。,12,谢谢观赏,2019-5-24,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#1,13,谢谢观赏,2019-5-24,建模举例#1,14,谢谢观赏,2019-5-24,建模举例#1,物料平衡方程：,流体运动方程：,15,谢谢观赏,2019-5-24,建模举例#1,线性化：,16,谢谢观赏,2019-5-24,一阶过程的描述,一阶过程通常的描述方式为：,过程增益K,时间常数T,17,谢谢观赏,2019-5-24,一阶过程的仿真,无振荡的自衡过程,K反映了输出变化的幅度,18,
5、谢谢观赏,2019-5-24,一阶过程的仿真（续）,时间常数T反映了输出变化的快慢,19,谢谢观赏,2019-5-24,建模举例#2,物料平衡方程：,流体运动方程：,20,谢谢观赏,2019-5-24,建模举例#2,物料平衡方程：,流体运动方程：,21,谢谢观赏,2019-5-24,二阶过程仿真,无振荡的自衡过程,22,谢谢观赏,2019-5-24,串联系统,23,谢谢观赏,2019-5-24,一阶对象的串联系统,24,谢谢观赏,2019-5-24,课堂练习2一阶和滞后过程,25,谢谢观赏,2019-5-24,课堂练习3,26,谢谢观赏,2019-5-24,课堂练习3仿真结果,27,谢谢观赏,
6、2019-5-24,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。,28,谢谢观赏,2019-5-24,换热器温度控制系统,过程描述与信号流程图?,29,谢谢观赏,2019-5-24,温度控制系统的信号流程图,30,谢谢观赏,2019-5-24,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
7、路相对流量。,31,谢谢观赏,2019-5-24,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。,32,谢谢观赏,2019-5-24,调节阀的气开气关选择,33,谢谢观赏,2019-5-24,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
8、比阀或称对数阀（2）：,34,谢谢观赏,2019-5-24,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,35,谢谢观赏,2019-5-24,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,36,谢谢观赏,2019-5-24,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减少，Kv 渐近于常数。,37,谢谢观赏,2
9、019-5-24,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。,38,谢谢观赏,2019-5-24,“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。,39,谢谢观赏,2019-5-24,广义对象的描述,可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象：,40,谢谢观赏,2019-5-24,过程增益的计算,41,谢谢观赏,2019-5-24,过程增益计算举例#1,42,谢谢观赏,
10、2019-5-24,过程增益计算举例#2,43,谢谢观赏,2019-5-24,过程增益计算举例#3,44,谢谢观赏,2019-5-24,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”。,45,谢谢观赏,2019-5-24,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.,46,谢谢观赏,2019-5-24,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
11、励至过程输出开始变化所需的时间.,47,谢谢观赏,2019-5-24,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）直接关系到控制系统的可控性。/T越大，控制难度越大。,48,谢谢观赏,2019-5-24,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
12、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。,49,谢谢观赏,2019-5-24,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,50,谢谢观赏,2019-5-24,阶跃响应测试法1,对象的近似
13、模型：,对应参数见左图，而增益为：,51,谢谢观赏,2019-5-24,阶跃响应测试法2,52,谢谢观赏,2019-5-24,广义对象矩形脉冲响应测试法,是矩形脉冲的宽度,53,谢谢观赏,2019-5-24,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。,54,谢谢观赏,2019-5-24,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,55,谢谢观赏,2019-5-24,
