過程控制 第一章 動(dòng)態(tài)特性課件

1、回顧過程控制:是指以溫度、壓力、流量、液位、成分和物性等工藝參數(shù)作為被控變量的自動(dòng)控制。測(cè)量變送器控制器執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥對(duì)象-定值+被調(diào)量廣義被控對(duì)象（廣義過程）控制器廣義被控對(duì)象給定值被調(diào)量控制系統(tǒng)第一篇 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)一個(gè)被調(diào)量、一個(gè)調(diào)節(jié)量；一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)調(diào)節(jié)閥。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)占工業(yè)控制系統(tǒng)的80；復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。重要性 目錄 第一章 生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性 第二章 比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過程 第三章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的整定控制器廣義被控對(duì)象給定值被調(diào)量過程控制的研究?jī)?nèi)容：（1）制定控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)（即設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)）；（2）認(rèn)識(shí)生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性（一般為廣義對(duì)象的動(dòng)態(tài)性）；（3）設(shè)計(jì)控制器的

2、控制規(guī)律及控制結(jié)構(gòu)，使控制系統(tǒng)達(dá)到控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)要求。-1-1過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)一、單項(xiàng)性能指標(biāo)衰減率、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、調(diào)節(jié)時(shí)間二、綜合指標(biāo)誤差積分指標(biāo) IE、IAE、ISE、ITAE小結(jié)：1 單項(xiàng)指標(biāo)用若干特征參數(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣；2 積分指標(biāo)用誤差積分綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣；3 根據(jù)具體生產(chǎn)過程的實(shí)際選用不同的指標(biāo)；4 通常將衰減率和積分指標(biāo)結(jié)合，首先滿足衰減率。穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)控制器廣義被控對(duì)象給定值被調(diào)量-控制要求安全性經(jīng)濟(jì)性穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)穩(wěn)定性準(zhǔn)確性快速性單項(xiàng)性能指標(biāo)衰減率 : 反映了系統(tǒng)穩(wěn)定性超調(diào)量 : 反映了動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性穩(wěn)態(tài)誤差ess: 反映了靜態(tài)準(zhǔn)確性調(diào)節(jié)時(shí)間ts : 反映了快速性振

3、蕩頻率：反映了快速性一般 對(duì)定值系統(tǒng)衰減率要求為0.75 對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)衰減率要求為0.90不同阻尼比時(shí)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線1.1（過阻尼） 慢爬行過程； 調(diào)節(jié)時(shí)間最長(zhǎng)，無超調(diào)；2.=1（臨界阻尼） 慢爬行過程； 響應(yīng)速度比過阻尼快，無超調(diào)；3. 01(欠阻尼） 振蕩衰減過程； 選合理的值，可兼顧快速性和平穩(wěn)性；4. =0（無阻尼） 等幅振蕩過程，無穩(wěn)態(tài)； 1-2被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性一、基本概念 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指被控對(duì)象的輸入發(fā)生變化時(shí)，其輸出（被調(diào)量）隨時(shí)間變化的規(guī)律 。 對(duì)于線性系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性可用傳遞函數(shù)來描述。二、典型對(duì)象動(dòng)態(tài)特性1. 典型實(shí)例分析 有自平衡單容對(duì)象（1）單容水箱物質(zhì)

4、平衡方程：在工作點(diǎn)線性化處理：傳遞函數(shù)：階躍響應(yīng)：有自平衡雙容對(duì)象（2）雙容水箱 對(duì)物質(zhì)平衡方程在工作點(diǎn)處進(jìn)行線性化處理后達(dá)到傳遞函數(shù)為：階躍響應(yīng)：純遲延KQ0e-sQ1Q0_Q2HQ1（3）帶延長(zhǎng)管的單容水箱傳遞函數(shù)為：階躍響應(yīng)： 有遲延自衡單容對(duì)象（1）典型自衡對(duì)象傳遞函數(shù)表達(dá)式（2）典型非自衡對(duì)象傳遞函數(shù)表達(dá)式2. 歸納：三、工業(yè)過程動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)無振蕩穩(wěn)定或中性穩(wěn)定有慣性或遲延非線性，但在工作點(diǎn)附近可線性化 2 被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式按模型結(jié)構(gòu)劃分：輸入輸出模型狀態(tài)空間模型連續(xù)系統(tǒng)模型離散系統(tǒng)模型按系統(tǒng)的連續(xù)性劃分：3 被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的利用方式 離線方式：數(shù)學(xué)模型只是在進(jìn)行控制系

5、統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究時(shí)或調(diào)試整定階段中發(fā)揮作用 在線方式：數(shù)學(xué)模型作為一個(gè)組成部分嵌入控制系統(tǒng)中，具有實(shí)時(shí)性。4 對(duì)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的要求 一般不要求非常準(zhǔn)確。閉環(huán)控制本身具有一定的魯棒性。 時(shí)域：微分方程、階躍響應(yīng)頻域：傳遞函數(shù)1 建模的目的：分析、設(shè)計(jì)、調(diào)試控制系統(tǒng)機(jī)理建模：物質(zhì)平衡方程能量平衡方程動(dòng)量平衡方程 輸入輸出微分方程 傳遞函數(shù) 在工作點(diǎn)附近線性化處理 階躍響應(yīng)獲取應(yīng)注意的問題（1）合理選擇階躍擾動(dòng)的幅度(一般約為額定負(fù)荷的10%20%)（2）實(shí)際閥門只能以有限速度移動(dòng)一般認(rèn)為階躍信號(hào)是在t1 /2時(shí)加入（3）試驗(yàn)前確保被控對(duì)象處于穩(wěn)定工況考慮過程的非線性特性，應(yīng)進(jìn)行多次測(cè)試。（4）若過

6、程不允許同一方向擾動(dòng)加入，則采用矩形脈沖擾動(dòng)可從脈沖響應(yīng)曲線求出所需的階躍響應(yīng)。2 確定自衡對(duì)象近似傳遞函數(shù)典型自衡過程： 一階慣性環(huán)節(jié)用有理分式表示的傳遞函數(shù)選擇哪種傳遞函數(shù)的形式，可依據(jù)以下兩點(diǎn)：對(duì)被控對(duì)象的驗(yàn)前知識(shí)的掌握對(duì)建立數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性的要求 二階或n階慣性環(huán)節(jié)（1）確定參數(shù)的作圖法 t1/2處為擾動(dòng)起點(diǎn)； 在s型響應(yīng)曲線找拐點(diǎn)，并作切線； 記交點(diǎn)a、b和cab 起點(diǎn)到a的距離為； a點(diǎn)到c點(diǎn)的距離為T；c（3）確定參數(shù)的兩點(diǎn)方法 將響應(yīng)曲線標(biāo)幺并去掉純遲延的到y(tǒng)*(t) 取y*(t1)=0.4，取y*(t2)=0.8，記t1和t2若0.320.46 ，則為高階對(duì)象見表1-1（p.2

7、8)n t1/t21 0.3172 0.463 0.5344 0.5845 0.6186 0.6407 0.666 n t1/t28 0.6849 0.69910 0.71211 0.72412 0.73413 0.74814 0.751 表1-1 高階對(duì)象中n與比值t1/t2的關(guān)系根據(jù)Laplace變換的極限定理，有：定義：（4）確定有理分式參數(shù)的方法 （面積方法）這種方法的關(guān)鍵在于求 值， 求取比較困難 。 分別是：解該方程組組要（n+m+1)個(gè)方程。這種方法適用于階次較低的系統(tǒng)。定義：另一種面積方法描述方式當(dāng)階躍響應(yīng)曲線不規(guī)則時(shí)，一般采用面積法：1. 把階躍響應(yīng)轉(zhuǎn)化成無因次的形式2. 截

8、去純遲延部分考慮系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與微分方程存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，可以通過求取微分方程的系數(shù)來辨識(shí)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。在求得系統(tǒng)的放大倍數(shù)K以后，我們要得到無因次階躍響應(yīng) (設(shè)）。大多數(shù)自平衡的工業(yè)控制對(duì)象的可以用下式來近似面積法原則上可求出為任意階的各系數(shù)，以為例，注意到 將式(4-2)的 項(xiàng)移至右邊，在 上積分，得定義 則由式(4-3)給出的初、終值條件可知，當(dāng) 時(shí)，如圖所示， 的數(shù)值相當(dāng)于圖中的陰影部分的面積。 將式 移到右邊，定義利用式(4-3)得，當(dāng) 時(shí)， 依次類推，若 ，定義 得到面積法求傳函的關(guān)鍵在于合理的選擇系統(tǒng)的階次，以及計(jì)算各階的面積 。判別階次正確的標(biāo)準(zhǔn)：各階面積是否都大于零。 3由階躍響應(yīng)確定非自衡過程近似傳遞函數(shù)一階積分環(huán)節(jié)的多容過程非自衡過程傳遞函數(shù)為： 一階積分環(huán)節(jié)的純遲延過程*當(dāng)對(duì)象的階數(shù)n6時(shí)，一般用多容過程傳遞函數(shù)描述（1）一階積分的多容過程階躍響應(yīng)為當(dāng)y*(t)0時(shí) ，記tta有：tanT Tta /n 漸近線方程：當(dāng)t0時(shí)，y*(t)0h不能直接得到結(jié)果可以直接得到結(jié)果當(dāng)ttanT時(shí)，y(ta)=y1(ta),值為 ：由漸近線方程有：*故y(ta )/oh與n為單值關(guān)系n12345