河南工業(yè)大學過程控制07

主要內容被控過程特性過程參數及其對控制性能的影響過程建模機理建模

試驗建模本節(jié)內容在課程中的位置過程控制中，被控過程多種多樣，如鍋爐、液體儲罐、加熱器、壓力容器、球磨機……等等形形色色的生產設備。被控過程的數學模型如能掌握過程動態(tài)特性（即被控過程的數學模型），將為取得良好的過程控制性能打下基礎。被控過程的數學模型是指被控過程在輸入（控制量或擾動量）作用下，其輸出（被控量）隨輸入變化的定量數學函數關系。常用傳遞函數表示。被控過程特性

自衡過程與非自衡過程單容和多容過程振蕩和非振蕩過程特殊特性過程，如嚴重的非線性、不穩(wěn)定過程、反向特性過程等。自衡過程

當擾動發(fā)生后，無須外加任何控制作用，過程能夠自發(fā)地趨于新的平衡狀態(tài)的性質稱為自衡性。稱該類被控過程為自衡過程。如圖液位系統(tǒng)，其傳遞函數：非自衡過程當擾動發(fā)生后，被控量不斷變化，最后不再平衡下來，則該過程無自衡能力，稱非自衡過程。如出口加泵的液位系統(tǒng)，液槽要么溢出要么抽干，不能重新達到新的平衡狀態(tài)。其傳遞函數：

一個實際的非自衡液位控制系統(tǒng)單容和多容過程被控過程都具有一定儲存物料或能量的能力，其儲存能力的大小稱為容量。單容過程，是指只有一個儲蓄容量的過程對象。若被控過程由多個容積構成，則稱為多容過程。如兩個液槽系統(tǒng)的串聯(lián)：常見單容或多容數學模型

自衡過程：非自衡過程：具有反向特性的過程響應曲線在一段時間內變化方向與其他時間相反。最典型的是鍋爐汽包液位的反向特性過程：冷水增加會引起汽包內水的沸騰突然減弱，水中氣泡迅速減少，水位下降。但液位終究會隨著進水量的增加而增加，并呈現積分響應。工業(yè)中最常見的被控過程實踐證明，多數被控過程具有如下特性：1.被控參數的變化往往是不振蕩的，單調的，有慣性；2.存在純滯后。最常見的數學模型：工業(yè)過程中，此類被控過程非常多。許多高階環(huán)節(jié)也可化簡為一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)。過程特性對控制性能的影響放大系數K的影響時間常數T的影響純滯后時間τ的影響控制通道放大系數的影響控制通道放大系數愈大，表示控制作用愈強。但放大系數太大，會使控制作用對被控變量的影響過強，難以保證閉環(huán)系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕度。擾動通道的放大系數往往與擾動作用值一起考慮。在對系統(tǒng)進行分析時，應該著重考慮（）乘積大的擾動，必要時應設法消除這種擾動。如采用前饋作用。時間常數T時間常數一般是因為物料或能量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的，反映被控變量變化快慢的一個動態(tài)參數。數值上等于當過程受到階躍輸入作用后，被控變量如果保持初始速度變化，達到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時間?；颍寒攲ο笫艿诫A躍輸入作用后，被控變量達到新穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需時間?？刂仆ǖ罆r間常數的影響主要影響控制過程的快慢，越大，則過渡過程越緩慢平穩(wěn)，系統(tǒng)越易穩(wěn)定。如有多個時間常數，則最大的時間常數決定過程的快慢。時間常數拉得越開，則越接近一階環(huán)節(jié)，系統(tǒng)越易穩(wěn)定。目前，被控過程多在向大型化方向發(fā)展，時間常數相應加大。這樣一來，整個控制系統(tǒng)得以簡化而且單臺設備也易于控制，生產波動小，穩(wěn)定性增加。擾動通道時間常數的影響如果＞，則等效于一個濾波器，能使過渡過程的波形趨于平緩；反之成為一個微分器，將使波形更為陡峭。的比值越大，過渡過程的品質越好。純滯后時間的影響純滯后的產生一般是由于介質的輸送或熱的傳遞需要一段時間引起的，是反映對象動態(tài)特性的另一個重要參數。

的存在不利于控制。當≤0.3時，系統(tǒng)較易控制，＞0.5則需要復雜控制系統(tǒng)或特殊控制規(guī)律。單獨討論純滯后時間是沒有意義的。擾動通道的純滯后不影響系統(tǒng)的控制質量，僅使擾動的發(fā)生推遲而已。建立過程數學模型的目的

指導過程控制系統(tǒng)方案設計；系統(tǒng)調試和調節(jié)器參數整定；

指導工藝生產設備的設計；先進控制理論的應用和優(yōu)化研究；系統(tǒng)仿真，操作員前期或離線培訓等。過程數學模型的求取方法

1.機理建模法根據過程的內在機理，通過靜態(tài)與動態(tài)物料平衡和能量平衡關系求取過程的數學模型。也稱“白箱模型”。2.試驗建模法根據過程輸入、輸出數據，通過過程辨識與參數估計的方法建立被控過程的數學模型。也稱“黑箱模型”。3.混合建模法機理建模法的特點設備在設計階段就能建立模型，對新設備的研究和設計具有重要意義；適用于不允許進行試驗的場合；要求建模者應有相應學科（物理、化學等）的知識；實際過程的機理一般難以全面了解，故適用于簡單過程的建模；機理建模得到的模型必需得到試驗驗證。試驗建模法的特點無需了解被控過程復雜的內部機理；易于操作，工程上一般采用此法，主要有階躍響應曲線法和矩形脈沖響應曲線法。需設計合理的試驗，以獲取最大的輸入/輸出信息量；但對不允許試驗的工藝過程無能為力。機理建模的物料平衡關系靜態(tài)物料（或能量）平衡關系：單位時間內進入被控過程的物料（或能量）等于單位時間內從被控過程流出的物料（或能量）。

動態(tài)物料（或能量）平衡關系：單位時間內進入被控過程的物料（或能量）減去單位時間內從被控過程流出的物料（或能量）等于被控過程內物料（或能量）存儲量的變化率。機理建模舉例設進水和出水的體積流量分別是和，輸出量為液位h，儲罐的橫截面積為A。試建立該液體儲罐的數學模型：儲罐液位的動態(tài)物料平衡關系液位的變化滿足動態(tài)物料平衡關系：液罐內蓄液量的變化率=單位時間內液體流入量-單位時間內液體流出量：以增量形式表示各變量偏離起始穩(wěn)態(tài)值的程度。即：式中，液位與流出量之間的線性化可見，液位與流出量之間存在非線性，對非線性項進行泰勒級數展開，并取線性部分：則：定義：；稱為液阻（出口閥）儲罐液位的數學模型整理得：整理并省略增量符號，得：試驗建?！A躍響應曲線法

被控過程必須已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)；通常取階躍信號值為正常輸入信號的5～15%，以不影響生產為準；

應在相同的測試條件下重復幾次；正、反方向變化時分別測出其響應曲線。由階躍響應曲線獲取特征參數

1.切線法確定一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)的特征參數；2.兩點法確定一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)的特征參數；3.兩點法確定二階慣性加純滯后環(huán)節(jié)的特征參數。切線法確定一階環(huán)節(jié)特征參數特點：作圖法簡單直觀，應用較廣；但擬合度較差；且有較大的隨意性。兩點法確定一階環(huán)節(jié)特征參數K求法同前。為便于處理，首先將轉換成無量綱形式，即為了求出上式中兩個參數和，需要建立兩個方程聯(lián)立求解。兩點法確定一階環(huán)節(jié)特征參數選擇兩個時刻和，并且＞≥解得：兩點法確定一階環(huán)節(jié)特征參數為了計算方便，現取，，則可得：為了克服兩點選擇過程中帶來的誤差，一般要對所得到的結果進行仿真驗證，并與實驗曲線相比較。兩點法確定二階環(huán)節(jié)特征參數K求法同前。

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