過程動態(tài)特性建模與分析.ppt

過程動態(tài)特性建模與分析 考核說明 基本原則 平時成績60 期末考試40 平時成績包括以下部分 課堂提問與課堂測試 25 用以檢驗學生預習 復習情況 學生講課與研討課表現(xiàn) 15 以小組為單位 針對某些控制問題提出控制方案 由教師隨機選擇某組員進行講解 其他同學參與討論 并評分 平時作業(yè)與仿真報告 20 概要 過程特性分類簡單被控過程的機理建模方法調(diào)節(jié)閥的選擇原則廣義對象的概念測試法建模 一般的反饋控制系統(tǒng) 被控過程動態(tài)特性的重要性 不同的被控過程具有不同的特性很難改變被控過程 很容易改變控制器控制工程師能做的就是調(diào)整控制器使其適合被控過程對于某一被控過程 最適合其特性的控制器是最好的控制器 被控過程的分類 自衡過程 穩(wěn)定對象 1 純滯后過程 2 單容過程 3 多容過程非自衡過程例如 某些液位對象與某些放熱反應器 被控過程舉例 1 被控過程舉例 2 被控過程舉例 3 該被控過程是否穩(wěn)定 為什么 被控過程舉例 4 被控對象動態(tài)建模方法 機理建模原理 根據(jù)過程的工藝機理 寫出各種有關(guān)的平衡方程 如物料平衡 能量平衡等 以及反映流體流動 傳熱 傳質(zhì)等基本規(guī)律的運動方程 由此獲得被控對象的動態(tài)數(shù)學模型 特點 概念明確 適用范圍寬 要求對該過程機理明確 測試建模原理 對過程的輸入 包括控制變量與擾動變量 施加一定形式的激勵信號 如階躍 脈沖信號等 同時記錄相關(guān)的輸入輸出數(shù)據(jù) 再對這些數(shù)據(jù)進行處理 由此獲得對象的動態(tài)模型 特點 無需深入了解過程機理 但適用范圍小 模型準確性有限 機理建模的步驟 根據(jù)建模的對象和模型使用的目的進行合理的假設(shè) 根據(jù)過程的內(nèi)在機理建立數(shù)學方程 進行自由度分析 保證模型有解 簡化模型 物料平衡方程 問題討論 如何采用simulink建立被控過程的仿真模型并設(shè)置初始運行狀態(tài) 出口流量與液位的關(guān)系 建模舉例 1 建模舉例 1 建模舉例 1 物料平衡方程 流體運動方程 建模舉例 1 線性化 一階過程的描述 一階過程通常的描述方式為 過程增益k 時間常數(shù)t 一階過程的仿真 無振蕩的自衡過程 k反映了輸出變化的幅度 一階過程的仿真 續(xù) 時間常數(shù)t反映了輸出變化的快慢 建模舉例 2 物料平衡方程 流體運動方程 建模舉例 2 物料平衡方程 流體運動方程 二階過程仿真 無振蕩的自衡過程 串聯(lián)系統(tǒng) 一階對象的串聯(lián)系統(tǒng) 課堂練習2 一階和滯后過程 課堂練習3 課堂練習3 仿真結(jié)果 工業(yè)過程控制對象的特點 除液位對象外的大多數(shù)被控對象本身是穩(wěn)定自衡對象 對象動態(tài)特性存在不同程度的純遲延 對象的階躍響應通常為單調(diào)曲線 除流量對象外的被調(diào)量的變化相對緩慢 被控對象往往具有非線性 不確定性與時變等特性 換熱器溫度控制系統(tǒng) 過程描述與信號流程圖 溫度控制系統(tǒng)的信號流程圖 氣動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu) u t 控制器輸出 4 20ma或0 10madc pc 調(diào)節(jié)閥氣動控制信號 20 100kpa l 閥桿相對位置 f 相對流通面積 q 受調(diào)節(jié)閥影響的管路相對流量 閥門的 氣開 與 氣關(guān) 1 氣開閥與氣關(guān)閥 氣開閥 pc f 有氣則開 氣關(guān)閥 pc f 有氣則關(guān) 無氣源 pc 0 時 氣開閥全關(guān) 氣關(guān)閥全開 2 氣開 氣關(guān)的選擇原則 安全性 若無氣源時 希望閥全關(guān) 則應選擇氣開閥 如加熱爐瓦斯氣調(diào)節(jié)閥 若無氣源時 希望閥全開 則應選擇氣關(guān)閥 如加熱爐進風蝶閥 調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)選擇 調(diào)節(jié)閥的理想流量特性 調(diào)節(jié)閥理想流量特性 通過控制閥的流量和閥門開度之間的函數(shù)關(guān)系 f為相對流量 l為相對開度 線性閥 1 等百分比閥或稱對數(shù)閥 2 閥阻比s100 調(diào)節(jié)閥全開時的兩端壓降與系統(tǒng)總壓降之比 即 調(diào)節(jié)閥工作流量特性 調(diào)節(jié)閥工作流量特性 續(xù) 線性閥的特性變異 對數(shù)閥的特性變異 調(diào)節(jié)閥流量特性總結(jié) 線性閥 在理想情況下 調(diào)節(jié)閥的放大增益kv與閥門開度無關(guān) 而隨著管路系統(tǒng)閥阻比的減少 當開度到達50 70 時 流量已接近其全開時的數(shù)值 即kv隨著開度的增大而顯著下降 對數(shù)閥 在理想情況下 調(diào)節(jié)閥的放大增益kv隨著閥門開度的增大而增加 而隨著管路系統(tǒng)閥阻比的減少 kv漸近于常數(shù) 調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇 選擇原則 僅當對象特性近似線性而且閥阻比大于0 60以上 即調(diào)節(jié)閥兩端的壓差基本不變 才選擇線性閥 如液位控制系統(tǒng) 其他情況大都應選擇對數(shù)閥 廣義對象 的概念 特點 1 使控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析簡化 2 廣義對象的輸入輸出通?？蓽y量 以便于測試其動態(tài)特性 3 只關(guān)心某些特定的輸入輸出變量 廣義對象的描述 可用一階加純滯后模型來描述廣義對象 過程增益的計算 過程增益計算舉例 1 過程增益計算舉例 2 過程增益計算舉例 3 過程增益?zhèn)渥?過程增益描述了穩(wěn)態(tài)條件下 過程輸出對輸入變量變化的靈敏度 被控過程增益包括三部分 符號 數(shù)值與單位 過程增益只涉及兩個穩(wěn)態(tài) 因此說過程增益反映了被控過程的靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)特性 有時 也稱 靜態(tài) 穩(wěn)態(tài)增益 過程的時間常數(shù) 基本定義對單容過程而言 過程一階時間常數(shù)定義為過程輸出開始變化至達到全部變化的63 2 所需的時間 過程的時間滯后 基本定義過程純滯后時間定義為過程輸入施加激勵至過程輸出開始變化所需的時間 關(guān)于過程特性參數(shù)k t 這三個參數(shù)的取值描述了一個實際被控過程的基本特性 其中k反映靜態(tài)特性 而t 反映了過程的動態(tài)特性 由于絕大多數(shù)工業(yè)過程為非線性對象 即使對于同一被控過程 上述參數(shù)也將隨工況的變化而變化 對象兩時間參數(shù)的比值 t 直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的可控性 t越大 控制難度越大 被控對象動態(tài)建模方法 機理建模原理 根據(jù)過程的工藝機理 寫出各種有關(guān)的平衡方程 如物料平衡 能量平衡等 以及反映流體流動 傳熱 傳質(zhì)等基本規(guī)律的運動方程 由此獲得被控對象的動態(tài)數(shù)學模型 特點 概念明確 適用范圍寬 要求對該過程機理明確 測試建模原理 對過程的輸入 包括控制變量與擾動變量 施加一定形式的激勵信號 如階躍 脈沖信號等 同時記錄相關(guān)的輸入輸出數(shù)據(jù) 再對這些數(shù)據(jù)進行處理 由此獲得對象的動態(tài)模型 特點 無需深入了解過程機理 但適用范圍小 模型準確性有限 對象特性的階躍響應測試法 借助于階躍響應試驗 獲取過程輸入輸出動態(tài)響應數(shù)據(jù) 1 將控制器改為 手動 操作模式 2 以階躍方式 改變控制器輸出 3 記錄控制器輸出與變送器輸出響應數(shù)據(jù) 基于過程測試數(shù)據(jù) 估計廣義對象的特性參數(shù) 階躍響應測試法1 對象的近似模型 對應參數(shù)見左圖 而增益為 階躍響應測試法2 廣義對象矩形脈沖響應測試法 是矩形脈沖的寬度 結(jié)論 介紹了簡單被控過程的機理建模方法與線性化問題 討論了調(diào)節(jié)閥 氣開 氣關(guān) 形式與流量特性的選擇原則 講述了 廣義對象 的概念及其動態(tài)特性的典型測試方法 下一講預習討論題 反饋控制器正反