中國(guó)石油大學(xué)過程控制課件 02 過程動(dòng)態(tài)特性

1、過程動(dòng)態(tài)特性分析 內(nèi)容控制系統(tǒng)系能指標(biāo)過程特性分類 過程特性機(jī)理建模法 執(zhí)行機(jī)構(gòu)介紹 過程特性測(cè)試建模法 Summary一般的反饋控制系統(tǒng) 控制目標(biāo) ?控制系統(tǒng)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)態(tài)（StaticStatic）：被控量不再隨時(shí)間變化時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。動(dòng)態(tài)（動(dòng)態(tài)（DynamicDynamic）：被控量隨時(shí)間變化，系統(tǒng)處于不平衡動(dòng)態(tài)時(shí)。過渡過程：從一個(gè)平衡態(tài)到另一個(gè)平衡態(tài)，控制作用實(shí)施的過程?？刂葡到y(tǒng)性能指標(biāo)(a)（b）為不穩(wěn)定的過程，生產(chǎn)不希望的情況。(c)、(d)穩(wěn)定，但(d)非周期振蕩雖能穩(wěn)定下來，但偏差太大，過渡過程緩慢，時(shí)間也較長(zhǎng)?？刂葡到y(tǒng)性能指標(biāo)綜合性能指標(biāo)單項(xiàng)性能指標(biāo)時(shí)域指標(biāo)頻域指標(biāo)

2、最大動(dòng)態(tài)偏差ym或超調(diào)量 衰減率衰減比n 控制過程時(shí)間ts 其它指標(biāo)靜態(tài)偏差y()或e()控制系統(tǒng)性能指標(biāo)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)一般的反饋控制系統(tǒng) 影響動(dòng)態(tài)指標(biāo)的因素? 被控過程動(dòng)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廣義的被控過程（包括測(cè)量與執(zhí)行機(jī)構(gòu)）很容易改變控制器參數(shù)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(duì)于某一被控過程，最適合其特性的最對(duì)于某一被控過程，最適合其特性的最簡(jiǎn)單的控制器是最好的控制器。簡(jiǎn)單的控制器是最好的控制器。動(dòng)態(tài)特性及分類靜態(tài)特性：靜態(tài)特性：輸入/輸出的穩(wěn)態(tài)關(guān)系（穩(wěn)定后相應(yīng)的關(guān)系）用代數(shù)方程表示。動(dòng)態(tài)特性：動(dòng)態(tài)特性：輸入變化后，輸出隨時(shí)間變

3、化的特性。用微分方程表示，另外還有：傳遞函數(shù)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。自衡過程/穩(wěn)定對(duì)象(1) 單容過程(2) 多容過程非自衡過程例如：某些液位對(duì)象與某些放熱反應(yīng)器被控過程舉例#1該被控過程是穩(wěn)定的，為什么 ?被控過程舉例#2該被控過程是不穩(wěn)定的，為什么 ?被控過程舉例#30( ( )( )oQKA u thh t該被控過程是否是穩(wěn)定的，為什么 ?獲取過程動(dòng)態(tài)特性的途徑 基于過程動(dòng)態(tài)學(xué)的機(jī)理建模根據(jù)某一被控過程的化學(xué)與物理機(jī)理，基于物料平衡、能量平衡與過程動(dòng)力學(xué)等方程，來描述過程輸入與輸出之間的動(dòng)態(tài)特性。基于過程數(shù)據(jù)的測(cè)試建模為獲取過程動(dòng)態(tài)特性，手動(dòng)改變某一被控過程的輸入，同時(shí)記錄過程輸入輸出數(shù)據(jù)；并基于

4、過程數(shù)據(jù)建立輸入與輸出之間動(dòng)態(tài)模型。建模舉例 #1（p. 27）HQiQoAoiQQdtdHAHkQoHkQdtdHAin 物料平衡方程：?jiǎn)栴}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(yùn)行狀態(tài)? n 出口流量與液位的關(guān)系：對(duì)于該液位受控過程，選擇h2 為 其被控變量（CV）， 并選取 Qi 為操作變量（MV），而Qd 為主要 干擾。各貯罐出口流量滿足以下方程： 建模舉例 #2,111hkQ 222hkQ 試建立該過程的動(dòng)態(tài)方程以描述CV與MV、DV之間的關(guān)系，并構(gòu)建Matlab/SimuLink 仿真模型。 建模舉例 #2（續(xù)）2122111,QQdtdHAQQdtdHAi

5、222111,HkQHkQ2211221111,HkHkdtdHAHkQdtdHAiH1QiQ1A1H2Q2A2n 物料平衡方程：n 出口流量與液位的關(guān)系：?jiǎn)稳葸^程舉例 #105101520253035404550253035404550556065Time, minTemperatureInlet Temp.Outlet Temp.speepest slope 單容過程舉例 #2HQiQoA051015202530354045502530354045T/hrInlet Flow0510152025303540455046810Time, minmeterLiquid Level( )?( )

6、iH sQ s單容過程舉例 #3( )?( )H su s051015202530354045503040506070%Valve Position0510152025303540455046810Time, minmeterLiquid Level多容過程舉例 #4010203040504550556065Ti(t)010203040504550556065T1(t)010203040504550556065T2(t)010203040504550556065T5(t)Time, min描述過程特性的關(guān)鍵參數(shù)過程增益（K）過程輸出（響應(yīng)輸出）的變化量與過程輸入（施加激勵(lì)）的變化量的比值，即f

7、inalinitialfinalinitialOOOutputKInputIIn過程一階時(shí)間常數(shù)（T）n過程純滯后時(shí)間（）05101520253035404550253035404550556065Time, minTemperatureInlet Temp.Outlet Temp.speepest slope 過程增益計(jì)算舉例 #1(4530) Cent(6050) CentCent outlet temp.1.5Cent inlet temp.finalinitialfinalinitialOutputKInputOOII過程增益計(jì)算舉例 #2HQiQoA05101520253035404

8、5502530354045T/hrInlet Flow0510152025303540455046810Time, minmeterLiquid Level(95)(4030)/0.4/finalinitialfinalinitialOutputKInputOOIImeterT hrmeterT hr過程增益計(jì)算舉例 #3(49)(6040) %0.25%finalinitialfinalinitialOutputKInputOOIImetermeter 051015202530354045503040506070%Valve Position0510152025303540455046810

9、Time, minmeterLiquid Level過程增益?zhèn)渥⑦^程增益描述了穩(wěn)態(tài)條件下，過程輸出對(duì)輸入變量變化的靈敏度。被控過程增益包括三部分：符號(hào)、數(shù)值符號(hào)、數(shù)值與單位與單位。過程增益只涉及兩個(gè)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(shí)，也稱“靜態(tài)/穩(wěn)態(tài)增益”。05101520253035404550345678910Time, minmeterLiquid Level9+(4-9)*63.2% = 5.84 T 過程一階時(shí)間常數(shù)（T） 基本定義對(duì)單容過程而言，過程一階時(shí)間常數(shù)定義為過程輸出開始變過程輸出開始變化至達(dá)到全部變化至達(dá)到全部變化的化的63.2%63.2%所需所需的

10、時(shí)間的時(shí)間. .過程純滯后時(shí)間（）基本定義過程純滯后時(shí)間定義為過程輸入施加過程輸入施加激勵(lì)至過程輸激勵(lì)至過程輸出開始變化所出開始變化所需的時(shí)間需的時(shí)間. .05101520253035404550253035404550556065Time, minCentInlet/Outlet Temp.Inlet Temp. Outlet Temp. T 關(guān)于過程特性參數(shù) K, T,這三個(gè)參數(shù)的取值描述了一個(gè)實(shí)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(dòng)態(tài)特性。 由于絕大多數(shù)工業(yè)過程為非線性對(duì)象，即使對(duì)于同一被控過程，上述參數(shù)也將隨工況的變化而變化。對(duì)象兩時(shí)間參數(shù)的比值（/ T）

11、直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的可控性。/ T越大，控制難度越大。對(duì)象特性對(duì)控制性能的影響（一）調(diào)節(jié)通道：K0：K0大，調(diào)節(jié)靈敏，但K0太大，易不穩(wěn)定。T0：應(yīng)適當(dāng)小，調(diào)節(jié)較快。若T0太大，反應(yīng)太慢； 0：降低穩(wěn)定性，0=0最好。（二）、干擾通道：Kf小對(duì)系統(tǒng)有利。Tf緩慢變化有利。f：純滯后時(shí)間大小不影響調(diào)節(jié)效果。1)(0000STeKsGsSTffffeSTKsG1)(多容過程數(shù)學(xué)模型的描述多階模型二階加純滯后模型一階加純滯后模型( )( )1sO sKeI sTs1( )( )(1)niiO sKI sTs12( )( )(1)(1)sO sKeI sTsT s實(shí)際工業(yè)過程的動(dòng)態(tài)特性絕大多數(shù)被控過程

12、為自衡對(duì)象（除部分液位對(duì)象外），因此均可用上述特性參數(shù)描述。所有被控過程均具有一定范圍的純滯后。被控過程的階躍響應(yīng)經(jīng)常是單調(diào)且緩慢的（響應(yīng)時(shí)間通常為分級(jí)、部分流量對(duì)象為秒級(jí)）由于被控過程的非線性，上述特性參數(shù)的取值通常與操作工況有關(guān)。檢測(cè)元件及變送器特性過程描述與信號(hào)流程圖 ?溫度控制系統(tǒng)的信號(hào)流程圖檢測(cè)元件及變送器特性檢測(cè)元件的動(dòng)態(tài)特性，可以寫成：R對(duì)Y有微分作用由于Tm 的存在，Z的最大偏差比Y小，掩蓋了真實(shí)的最大偏差值（Y早已超過限度，z還是能滿足要求）1)()(STeKsXsYmsmm調(diào)節(jié)閥特性功能：根據(jù)閥頭氣壓的大小，通過閥桿改變閥體中閥芯的位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)流經(jīng)閥體的流體流量。調(diào)節(jié)閥氣

13、開/氣關(guān)特性 #1 控制閥#2 控制閥閥門的“氣開”與“氣關(guān)”1. 氣開閥與氣關(guān)閥氣開閥與氣關(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(shí)，氣開閥全關(guān)，氣關(guān)閥全開。2. 氣開閥與氣關(guān)閥的選擇原則氣開閥與氣關(guān)閥的選擇原則 * 若無氣源時(shí)，希望閥全關(guān)，則應(yīng)選擇氣開閥，如加熱爐瓦斯氣調(diào)節(jié)閥；若無氣源時(shí)，希望閥全開，則應(yīng)選擇氣關(guān)閥，如加熱爐進(jìn)風(fēng)蝶閥?？刂崎y氣開氣關(guān)特性選擇舉例調(diào)節(jié)閥的理想流量特性（固有流量特性）100806040200204060801003.3f 100l 1001243調(diào)節(jié)閥理想流量特性調(diào)節(jié)閥理想流量特性：通過控制閥的

14、流量和閥門開度之間的函數(shù)關(guān)系。( )flf 為相對(duì)流量；l 為相對(duì)開度：n 線性閥線性閥（1）：fKdldfn 等百分比閥或稱對(duì)數(shù)閥等百分比閥或稱對(duì)數(shù)閥（2）：fKdldff調(diào)節(jié)閥的工作流量特性分析閥阻比閥阻比 S100：調(diào)節(jié)閥全開時(shí)的兩端壓降與系統(tǒng)總壓降之比，即10010010010011pppppSeepSepppSpep0Qp調(diào)節(jié)閥的工作流量特性分析100806040200204060801003.3q 100l 100S100= 10.750.500.20100806040200204060801003.3q 100l 100S100= 10.800.500.20線性閥的特性變異對(duì)數(shù)閥

15、的特性變異LlQQKv/max調(diào)節(jié)閥流量特性總結(jié) 線性閥：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(dāng)開度到達(dá)50 70%時(shí)，流量已接近其全開時(shí)的數(shù)值，即Kv隨著開度的增大而顯著下降。 對(duì)數(shù)閥：對(duì)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n 選擇原則：通過選擇一條合適的非線性曲選擇原則：通過選擇一條合適的非線性曲線，去補(bǔ)償其他環(huán)節(jié)特性變化引起的對(duì)穩(wěn)線，去補(bǔ)償其他環(huán)節(jié)特性變化引起的對(duì)穩(wěn)定性的影響定性的影響僅當(dāng)對(duì)象特性近似線性而且閥阻比大于 0. 60 以上（即調(diào)

16、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(yīng)選擇對(duì)數(shù)閥。控制系統(tǒng)“廣義對(duì)象”的概念“廣義對(duì)象”包括控制回路中除控制器外的每一部分。它反映了控制器輸出對(duì)CV測(cè)量輸出的影響。 控制系統(tǒng)“廣義對(duì)象”的概念控制器GC (s)執(zhí)行器GV (s)控制通道GP (s)測(cè)量變送Gm (s)ysp(t)+_u(t)q(t)擾動(dòng)D(t)干擾通道GD (s)+廣義對(duì)象y(t)ym (t)特點(diǎn):（1）使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析簡(jiǎn)化； （2）廣義對(duì)象的輸入輸出通?？蓽y(cè)量，以便于 測(cè)試其動(dòng)態(tài)特性； （3）只關(guān)心某些特定的輸入輸出變量。1spppK eGT s可用一階加純滯后模型來描述廣義對(duì)象：獲取過

17、程動(dòng)態(tài)特性的途徑 基于過程動(dòng)態(tài)學(xué)的機(jī)理建模根據(jù)某一被控過程的化學(xué)與物理機(jī)理，基于物料平衡、能量平衡與過程動(dòng)力學(xué)等方程，來描述過程輸入與輸出之間的動(dòng)態(tài)特性?；谶^程數(shù)據(jù)的測(cè)試建?；谶^程數(shù)據(jù)的測(cè)試建模為獲取過程動(dòng)態(tài)特性，手動(dòng)改變某一被控過程的輸入，同時(shí)記錄過程輸入輸出數(shù)據(jù)；并基于過程數(shù)據(jù)建立輸入與輸出之間動(dòng)態(tài)模型。廣義對(duì)象的特性參數(shù) 廣義對(duì)象過程增益（Kp）傳感變送器輸出（即廣義對(duì)象輸出）的穩(wěn)態(tài)變化量與控制器輸出（即廣義對(duì)象輸入）的穩(wěn)態(tài)變化量之比值, %, %finalinitialpfinalinitialTOTOKCOCOn過程時(shí)間常數(shù)（Tp）n過程純滯后時(shí)間（p）對(duì)象特性的階躍響應(yīng)測(cè)試法借

18、助于階躍響應(yīng)試驗(yàn)，獲取過程輸入輸出CO（控制器輸出）與TO （變送器輸出）的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。(1) 將控制器改為“手動(dòng)”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(yīng)數(shù)據(jù)?；谶^程測(cè)試數(shù)據(jù)，估計(jì)廣義對(duì)象的特性參數(shù) 換熱器溫度控制系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng)010203040504550556065%Controller Output01020304050148150152154156158160time, minCentHeat Exchanger Outlet Temp.基于階躍響應(yīng)的特性參數(shù)計(jì)算 010203040504550556065%Controller Output01020304050148150152154156158160time, minCentHeat Exchanger Outlet Temp.63.2% 28.3% T0 T1 T2