Ch06基于過程數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)建模

1、基于過程數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)建模1過程對象的建模方過程對象的建模方法法數(shù)學(xué)方法數(shù)學(xué)方法實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法由工藝過程寫出平衡方程由工藝過程寫出平衡方程推導(dǎo)被控對象的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)被控對象的數(shù)學(xué)模型求解模型得出特性參數(shù)求解模型得出特性參數(shù)結(jié)合實(shí)際進(jìn)行理論分析結(jié)合實(shí)際進(jìn)行理論分析實(shí)驗(yàn)測試求實(shí)驗(yàn)測試求出特性參數(shù)出特性參數(shù)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)-激勵信激勵信號號-動態(tài)變化動態(tài)變化- -測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線或曲線-進(jìn)行進(jìn)行分析分析對象特性對象特性參數(shù)參數(shù)基于過程數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)建模實(shí)驗(yàn)方法在工程上應(yīng)用的原因： 對象的動態(tài)特性雖可運(yùn)用流動、蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、傳熱、吸收對象的動態(tài)特性雖可運(yùn)用流動、蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、傳熱、吸收等物理化學(xué)基

2、礎(chǔ)理論來推導(dǎo)求解，但由于具體對象的物理化等物理化學(xué)基礎(chǔ)理論來推導(dǎo)求解，但由于具體對象的物理化學(xué)過程是復(fù)雜的，在數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程中學(xué)過程是復(fù)雜的，在數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程中必須作許多假設(shè)和簡化，必須作許多假設(shè)和簡化，推導(dǎo)的結(jié)果尚需實(shí)驗(yàn)測試來驗(yàn)證推導(dǎo)的結(jié)果尚需實(shí)驗(yàn)測試來驗(yàn)證；實(shí)際工業(yè)對象的實(shí)際工業(yè)對象的機(jī)理很復(fù)雜機(jī)理很復(fù)雜，有時甚至很難用，有時甚至很難用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)，這時只能用實(shí)驗(yàn)方法來測定；這時只能用實(shí)驗(yàn)方法來測定；有許多被控對象的特性在運(yùn)行過程中會隨工況變化而改變，或有許多被控對象的特性在運(yùn)行過程中會隨工況變化而改變，或隨其他因素而改變，隨其他因素而改變，為了提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)為了提高控制系統(tǒng)的

3、品質(zhì)，有時需要采，有時需要采用自整定控制或自適應(yīng)控制，這種系統(tǒng)就非得在運(yùn)行過程中用自整定控制或自適應(yīng)控制，這種系統(tǒng)就非得在運(yùn)行過程中用實(shí)驗(yàn)方法測定對象的動態(tài)特性不可。用實(shí)驗(yàn)方法測定對象的動態(tài)特性不可?；谶^程數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)建模 機(jī)理建模依賴于對被測對象內(nèi)部物理、化學(xué)過程了解程機(jī)理建模依賴于對被測對象內(nèi)部物理、化學(xué)過程了解程度（復(fù)雜、多為高階非線性方程；參數(shù)相互影響求解難）度（復(fù)雜、多為高階非線性方程；參數(shù)相互影響求解難） 做出假設(shè)和簡化、理論推導(dǎo)結(jié)果須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。做出假設(shè)和簡化、理論推導(dǎo)結(jié)果須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。系統(tǒng)辨識系統(tǒng)辨識機(jī)理建模獲取對象模型的結(jié)構(gòu)形式，通過有目的實(shí)驗(yàn)機(jī)理建模獲取對象模型的結(jié)構(gòu)形

4、式，通過有目的實(shí)驗(yàn)測定和數(shù)據(jù)處理，求得模型中各參數(shù)的值。測定和數(shù)據(jù)處理，求得模型中各參數(shù)的值。特點(diǎn)：把被研究的對象視為一個黑匣子，完全從外部特點(diǎn)：把被研究的對象視為一個黑匣子，完全從外部特性上來測試和描述它的動態(tài)特性，不需要深入了解特性上來測試和描述它的動態(tài)特性，不需要深入了解其內(nèi)部機(jī)理其內(nèi)部機(jī)理 。機(jī)理建模機(jī)理建模+實(shí)驗(yàn)測定實(shí)驗(yàn)測定2022-6-14o 給所要研究的對象人為地輸入一個激勵信號，給所要研究的對象人為地輸入一個激勵信號，然后測取被控對象輸出變量隨時間的變化規(guī)然后測取被控對象輸出變量隨時間的變化規(guī)律，得出一系列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線來表征一律，得出一系列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線來表征一定的被控對

5、象特性。定的被控對象特性。o 被控對象的測定方法有很多種，主要區(qū)別在被控對象的測定方法有很多種，主要區(qū)別在于所加入的輸入變量的信號形式。于所加入的輸入變量的信號形式。（1）響應(yīng)曲線法）響應(yīng)曲線法（2）脈沖響應(yīng)法）脈沖響應(yīng)法（3）頻域分析法）頻域分析法（4）統(tǒng)計(jì)分析法）統(tǒng)計(jì)分析法基于過程數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)建模數(shù)據(jù)處理步驟數(shù)據(jù)處理步驟（1 1）選定模型結(jié)構(gòu)（）選定模型結(jié)構(gòu)（2 2）計(jì)算模型參數(shù)）計(jì)算模型參數(shù)2022-6-15（1 1）響應(yīng)曲線法）響應(yīng)曲線法 用實(shí)驗(yàn)的方法測定對象在階躍輸入作用下，其輸用實(shí)驗(yàn)的方法測定對象在階躍輸入作用下，其輸出量隨時間變化的規(guī)律出量隨時間變化的規(guī)律 。 a.a.t=t0t=

6、t0時刻之前時刻之前: :被控對象處被控對象處于平衡狀態(tài)于平衡狀態(tài); ; b.b.在在t0t0時刻時刻: :加入一階躍輸入，加入一階躍輸入，后又保持不變；后又保持不變； c.c.測量記錄對象輸出量從測量記錄對象輸出量從t0t0時刻時刻起隨時間的變化過程，即階躍響起隨時間的變化過程，即階躍響應(yīng)（又稱飛升特性）。應(yīng)（又稱飛升特性）。具體做法：具體做法：基于過程數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)建模例：例：2022-6-16如圖顯示了連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器中進(jìn)料由120kg/min變化到125kg/min引起的溫度T的響應(yīng)。試?yán)眠@些操作條件為該過程確定近似的一階模型。 實(shí)際系統(tǒng)中還存在時間延遲現(xiàn)象，輸出完全復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中還存在

7、時間延遲現(xiàn)象，輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入，但延遲了時間輸入，但延遲了時間 ，即，即 ( )()oix tx t 此時：此時：( )( )soieXsx s 或：或：( )sG se 001x tt ttx1 tto一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后( )1sKG seTs 2022-6-18o)x()x()y()y(K00一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后( )1sKG seTs 2022-6-19（1 1）響應(yīng)曲線法）響應(yīng)曲線法n 實(shí)驗(yàn)過程簡單，數(shù)據(jù)處理過程以階躍響應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)過程簡單，數(shù)據(jù)處理過程以階躍響應(yīng)曲線為基礎(chǔ)，是時域分析的首選。為基礎(chǔ)，是時域分析的首選。n 工程實(shí)際運(yùn)用中，階躍輸入有時會使被測對象工程

8、實(shí)際運(yùn)用中，階躍輸入有時會使被測對象的輸出變化超越允許范圍；或受運(yùn)行條件限制，的輸出變化超越允許范圍；或受運(yùn)行條件限制，不允許對象的輸出長時間偏離正常值。不允許對象的輸出長時間偏離正常值。采用矩形脈沖信號做激勵采用矩形脈沖信號做激勵基于過程數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)建模2022-6-110（2 2）脈沖響應(yīng)法）脈沖響應(yīng)法 用實(shí)驗(yàn)的方法測取對象在矩形脈沖輸入信號作用下，用實(shí)驗(yàn)的方法測取對象在矩形脈沖輸入信號作用下，其輸出量隨時間的變化規(guī)律。其輸出量隨時間的變化規(guī)律。o 當(dāng)對象處于穩(wěn)定工況下，在當(dāng)對象處于穩(wěn)定工況下，在時刻時刻t0突然加入一階躍輸入突然加入一階躍輸入量，作用一段時間后，在量，作用一段時間后，在t1

9、 時刻再突然撤除該階躍信號，時刻再突然撤除該階躍信號，測出輸出量從測出輸出量從t0時刻起隨時時刻起隨時間的變化規(guī)律，稱為對象的間的變化規(guī)律，稱為對象的矩形脈沖特性。矩形脈沖特性。基于過程數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)建模2022-6-111 矩形脈沖看作是矩形脈沖看作是t0時刻的時刻的正向階躍信號正向階躍信號x0與與t1時刻的時刻的反向階躍信號反向階躍信號-x0的組合信號，那么其響應(yīng)曲線也就是這的組合信號，那么其響應(yīng)曲線也就是這兩條階躍響應(yīng)曲線的合成曲線。兩條階躍響應(yīng)曲線的合成曲線。矩形脈沖響應(yīng)曲線矩形脈沖響應(yīng)曲線 11tttty( )y ( )y () 01ttt11tttty ( )y( )y () 基于過程數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)建模2022-6-112脈沖響應(yīng)法脈沖響應(yīng)法 由于加在對象上的干擾經(jīng)過一段時間即被除去，由于加在對象上的干擾經(jīng)過一段時間即被除去，因此干擾的幅度可取的較大，以提高實(shí)驗(yàn)的精度；因此干擾的幅度可取的較大，以提高實(shí)驗(yàn)的精度；同時，對象輸出量又不至于長時間地偏離給定值，同時，對象輸出量又不至于長時間地偏離給定值，因而對正常生產(chǎn)影響較小。因而對正常生產(chǎn)影響較小。 響應(yīng)曲線法是一種比較簡單的對象特性實(shí)驗(yàn)測定響應(yīng)曲線法是一種比較簡單的對象特性實(shí)驗(yàn)測定方法，但由于實(shí)際