浙大工業(yè)過(guò)程控制3過(guò)程動(dòng)態(tài)特性分析ppt課件

1、過(guò)程動(dòng)態(tài)特性建模與分析過(guò)程動(dòng)態(tài)特性建模與分析（Process Characteristics）戴連奎浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與決策研究所上一講內(nèi)容回顧n控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的n單回路控制系統(tǒng)的組成、方塊圖描述法及方塊圖中線與方框圖的物理意義n過(guò)程控制中的常用術(shù)語(yǔ)中英文）n控制系統(tǒng)的主要分類與設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)習(xí)題PCPP1P2PspPmuKv1Kv2F1F2對(duì)于如圖所示的壓力控制系統(tǒng)，假設(shè)貯罐溫度不變，主要干擾為P1、P2。試指出該系統(tǒng)中的被控變量、操縱變量、擾動(dòng)變量與被控對(duì)象，并畫出該系統(tǒng)的方塊圖。本講基本要求n了解典型工業(yè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性類型；n掌握簡(jiǎn)單被控過(guò)程的機(jī)理建模方法；n掌握調(diào)節(jié)閥“氣開(kāi)、氣關(guān)形式與流量

2、特性的選擇原則；n掌握“廣義對(duì)象概念及其動(dòng)態(tài)特性的典型測(cè)試方法。單回路控制系統(tǒng)組成控制器Gc (s)執(zhí)行器Gv (s)控制通道Gp (s)測(cè)量變送Gm (s)設(shè)定值ysp偏差 e+_控制變量u操縱變量q被控變量y測(cè)量值ym擾動(dòng) D干擾通道GD (s)+被控對(duì)象被控對(duì)象動(dòng)態(tài)建模方法n機(jī)理建模n原理：根據(jù)過(guò)程的工藝機(jī)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(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程，由此獲得被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。n特點(diǎn)：概念明確、適用范圍寬，要求對(duì)該過(guò)程機(jī)理明確。n測(cè)試建模n原理：對(duì)過(guò)程的輸入包括控制變量與擾動(dòng)變量施加一定形式的激勵(lì)信號(hào)，如階躍、脈沖信號(hào)等，同時(shí)

3、記錄相關(guān)的輸入輸出數(shù)據(jù)，再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由此獲得對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型。n特點(diǎn)：無(wú)需深入了解過(guò)程機(jī)理，但適用范圍小，模型準(zhǔn)確性有限。對(duì)象機(jī)理建模舉例#1p. 28）HQiQoAoiQQdtdHAHkQoHkQdtdHAin 物料平衡方程：n 流體運(yùn)動(dòng)方程：討論問(wèn)題：討論問(wèn)題：（1線性化的意義？如何線性化？（線性化的意義？如何線性化？（2如何用如何用Matlab 或或 SimuLink 表示該過(guò)程？（參見(jiàn)表示該過(guò)程？（參見(jiàn)SimulationProcessModel LevelProcess01.mdl）對(duì)象機(jī)理建模舉例#22122111,QQdtdHAQQdtdHAi222111,HkQHkQ2

4、211221111,HkHkdtdHAHkQdtdHAin 物料平衡方程：n 流體運(yùn)動(dòng)方程：仿真參見(jiàn) ProcessModel LevelProcess02.mdlH1QiQ1A1H2Q2A2問(wèn)題：狀態(tài)方程？線性化？問(wèn)題：狀態(tài)方程？線性化？機(jī)理建模舉例#3：非自衡過(guò)程ALCQ0Qi0QQdtdhAi物料平衡方程：tt0Q(t)h(t)QoQi氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)u(t)：控制器輸出 ( 420 mA 或 010 mA DC)；pc ：調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)控制信號(hào)；l：閥桿相對(duì)位置； f ：相對(duì)流通面積；q ：受調(diào)節(jié)閥影響的管路相對(duì)流量。執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣轉(zhuǎn)換器閥體管路系統(tǒng)u(t)pclfq執(zhí)行機(jī)構(gòu)

5、閥體.pc閥門的閥門的“氣開(kāi)與氣開(kāi)與“氣氣關(guān)關(guān)”1. 氣開(kāi)閥與氣關(guān)閥氣開(kāi)閥與氣關(guān)閥 * 氣開(kāi)閥：氣開(kāi)閥： pc f (“有氣則開(kāi)有氣則開(kāi)”) * 氣關(guān)閥：氣關(guān)閥： pc f (“有氣則關(guān)有氣則關(guān)”) 無(wú)氣源無(wú)氣源( pc = 0 )時(shí)，氣開(kāi)閥全關(guān)，氣關(guān)閥全時(shí)，氣開(kāi)閥全關(guān)，氣關(guān)閥全開(kāi)。開(kāi)。2. 氣開(kāi)閥與氣關(guān)閥的選擇原則氣開(kāi)閥與氣關(guān)閥的選擇原則 * 若無(wú)氣源時(shí)，希望閥全關(guān)，則應(yīng)選擇氣開(kāi)閥若無(wú)氣源時(shí)，希望閥全關(guān)，則應(yīng)選擇氣開(kāi)閥，如加熱爐瓦斯氣調(diào)節(jié)閥；若無(wú)氣源時(shí)，希望閥，如加熱爐瓦斯氣調(diào)節(jié)閥；若無(wú)氣源時(shí)，希望閥全開(kāi)，則應(yīng)選擇氣關(guān)閥，如加熱爐進(jìn)風(fēng)蝶閥。全開(kāi)，則應(yīng)選擇氣關(guān)閥，如加熱爐進(jìn)風(fēng)蝶閥。調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)

6、特性調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性100806040200204060801003.3f 100l 1001243調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)特性：閥芯與調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)特性：閥芯與閥座間的節(jié)流面積和閥門閥座間的節(jié)流面積和閥門開(kāi)度之間的函數(shù)關(guān)系。開(kāi)度之間的函數(shù)關(guān)系。)(lff 為相對(duì)節(jié)流面積；l 為相對(duì)開(kāi)度：n 線性閥線1）：fKdldfn 等百分比閥或稱對(duì)數(shù)閥線等百分比閥或稱對(duì)數(shù)閥線2）：）：fKdldff調(diào)節(jié)閥的工作流量特性分析調(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(kāi)時(shí)的兩端壓降與系統(tǒng)總壓降：調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)的兩端壓降與系統(tǒng)總壓降之比，即之比，即10010010010011pppppSeepSepppSpep0Q

7、p調(diào)節(jié)閥工作流量特性續(xù)）調(diào)節(jié)閥工作流量特性續(xù)）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)閥的特性變異調(diào)節(jié)閥流量特性總結(jié)調(diào)節(jié)閥流量特性總結(jié)n 線性閥：在理想情況下，調(diào)節(jié)閥的放大增益Kv與閥門開(kāi)度無(wú)關(guān)；而隨著管路系統(tǒng)閥阻比的減少，當(dāng)開(kāi)度到達(dá)50 70%時(shí)，流量已接近其全開(kāi)時(shí)的數(shù)值，即Kv隨著開(kāi)度的增大而顯著下降。n 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(kāi)度的增大而增加；而隨著管路系統(tǒng)閥阻比

8、的減少， Kv 漸近于常數(shù)。調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇原則調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇原則n 選擇原則：僅當(dāng)對(duì)象特性近似線性而且閥選擇原則：僅當(dāng)對(duì)象特性近似線性而且閥阻比大于阻比大于 0. 60 以上即調(diào)節(jié)閥兩端的壓差基以上即調(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)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。；其他情況大都應(yīng)選擇對(duì)數(shù)閥。TC蒸汽凝液FV ,HVF, cp, T2F, T1熱平衡方程：FFcHdFdTKTTFcHFQpvvppvvh1)(212Kp：控制通道增益“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)ys

9、p(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)“廣義對(duì)象” 的特點(diǎn)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。控制器GC (s)控制通道GP 1 (s)偏差 e+_擾動(dòng) D干擾通道GD 1 (s)+廣義對(duì)象ysp(t)ym (t)u(t)“廣義對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的階躍響應(yīng)測(cè)試法*tt0u(t)y(t)y0y1u0u1T0T3T1T2Tp典型自衡工業(yè)對(duì)象的階躍響應(yīng)seTsKsusy1)()(n 對(duì)象的近似模型：對(duì)應(yīng)參數(shù)見(jiàn)左圖，而增益為：minmax01minmax01u

10、uuuyyyyKymin, ymax為CV的測(cè)量范圍；umin, umax為MV的變化范圍，對(duì)于閥位開(kāi)度通常用0100%表示?！皬V義對(duì)象” 動(dòng)態(tài)特性的矩形脈沖響應(yīng)測(cè)試法SISO 對(duì)象模型構(gòu)造與動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真參見(jiàn) ProcessModelOpenLoopResp.mdl過(guò)程控制廣義對(duì)象動(dòng)態(tài)特性分類n自衡過(guò)程Self-Regulating Processes）n(1) 無(wú)振蕩的自衡過(guò)程n(2) 有振蕩的自衡過(guò)程n非自衡過(guò)程N(yùn)on-Self-Regulating Processes）n(1) 無(wú)振蕩的非自衡過(guò)程n(2) 有振蕩的非自衡過(guò)程n(3) 具有反向特性的非自衡過(guò)程無(wú)振蕩自衡過(guò)程模型sPeTsKsG1)(sPesTsTKsG) 1)(1()(21snPeTsKsG) 1()(無(wú)振蕩非自衡過(guò)程模型sPeTssKsG) 1()(sPeTsKsG)(具有反向特性的非自衡過(guò)程模型sPesTssTKsG) 1() 1()(10工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象的特點(diǎn)工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象的特點(diǎn)n除液位對(duì)象外的大多數(shù)被控對(duì)象本身是穩(wěn)定自衡對(duì)象；n對(duì)象動(dòng)態(tài)特性存在不同程度的純遲延；n對(duì)象的階躍響應(yīng)通常為單調(diào)曲線，除流量對(duì)象外的被調(diào)量的變化相對(duì)緩慢；n被控對(duì)象往往具有非線性、不確定性與時(shí)變等