過程控制第2章課件

第二章過程控制發(fā)展概況第一節(jié)過程建模第二節(jié)過程變量檢測及變送第三節(jié)過程控制儀表第四節(jié)其他數(shù)字式過程控制裝置過程控制工程第一節(jié)過程建模基本概念：

被控過程：指正在運(yùn)行中的多種多樣的被控制的生產(chǎn)工藝設(shè)備2過沖控制系統(tǒng)的品質(zhì)是由組成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)及其特性所決定。被控過程的數(shù)學(xué)模型：指過程在各輸入量作用下，其相應(yīng)輸出量變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。過程的數(shù)學(xué)模型分類：1、非參數(shù)模型：階躍響應(yīng)曲線、脈沖響應(yīng)曲線、頻率特性曲線，即都是用曲線表示2、參數(shù)模型：微分方程、傳遞函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)、狀態(tài)方程、差分方程等，即都是用數(shù)學(xué)方程式和函數(shù)表示2被控過程分為：1、多輸入、單輸出2、多輸入、多輸出單回路控制系統(tǒng)框圖如圖:2過程通道：控制通道：擾動通道：被控過程輸入量與輸出量之間的信號聯(lián)系控制作用與被控量之間的信號擾動作用與被控量之間的信號聯(lián)系2被控過程的特點(diǎn)：1、被控量的變化往往是不震蕩、單調(diào)的、有滯后和慣性的。如圖：

過程的階躍響應(yīng)曲線a)22、有的過程響應(yīng)也可能不斷變化如圖：

過程的階躍響應(yīng)曲b)2自衡過程：前者過程具有自平衡能力無自衡過程：后者過程無自平衡能力過程建模的目的:1、設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)和整定調(diào)節(jié)器參數(shù)2、指導(dǎo)設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝設(shè)備3、進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究4、培訓(xùn)運(yùn)行操作人員2建立過程數(shù)學(xué)模型的基本方法：

一、有機(jī)理分析法二、試驗(yàn)法有機(jī)理分析法建模又稱為分析發(fā)建模或理論建模，適應(yīng)于簡單的被控過程建模。機(jī)理建模的依據(jù)：

是根據(jù)過程的內(nèi)部機(jī)理，運(yùn)用一些已知的定律、原理建立過程的數(shù)學(xué)模型機(jī)理分析法建模的特點(diǎn)：

當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備還處于設(shè)計(jì)階段時就能建立其數(shù)學(xué)模型。2兩種方法相結(jié)合：通過機(jī)理分析獲得模型的結(jié)構(gòu)；利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定參數(shù)大小。建立對象數(shù)學(xué)模型的基本方法:機(jī)理分析法:根據(jù)生產(chǎn)過程實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫出有關(guān)的平衡方程，從而獲得所需的數(shù)學(xué)模型。特點(diǎn)：簡單對象比較準(zhǔn)確，復(fù)雜對象很難精確表達(dá)，往往需要近似處理。實(shí)驗(yàn)辨識法:用實(shí)驗(yàn)的方法測試出對象在輸入作用下輸出變化的全過程，根據(jù)過程的特性估計(jì)參數(shù)。特點(diǎn)：不需要深入了解過程的機(jī)理。但必須設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)，以獲得對象所含的最大信息量。

對象數(shù)學(xué)模型的分類：按照是否線性劃分：線性系統(tǒng)模型和非線性系統(tǒng)模型。按照對象的連續(xù)性劃分：連續(xù)系統(tǒng)模型和離散系統(tǒng)模型。按照模型的結(jié)構(gòu)劃分：輸入－輸出模型和狀態(tài)空間模型。輸入－輸出模型：多輸入－單輸出：多輸入－多輸出xyd1d2dnx1x2xnd1d2dny11y2yn為控制通道傳遞矩陣為干擾通道傳遞矩陣被控過程的自平衡能力和無自平衡能力自平衡能力：

過程在輸入量作用下，平衡狀態(tài)被破壞后，無須人或儀器的干擾，依靠過程自身能力，逐漸恢復(fù)達(dá)到另一新的平衡狀態(tài)，此特性稱為自平衡能力無自平衡能力：

被控過程在輸入量作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，沒有人或儀器的干預(yù)，依靠過程自身能力，最后不能恢復(fù)其平衡狀態(tài)，此特性稱為無自平衡能力。2自衡過程建模1、單容過程：自衡單容過程是指只有一個儲蓄容量的又具有平衡能力的過程222Δh在很小范圍變化時可認(rèn)為h與Q2

成近似線性關(guān)系。令一無純滯后單容對象的動態(tài)特性

采用物料平衡方程建立對象的數(shù)學(xué)模型：穩(wěn)態(tài)下：Q10＝Q20h＝h0進(jìn)出物料平衡，液位保持不變。

閥門R1開度突然增大ΔX，則

Q1＝Q10＋ΔQ1同時流出量Q2隨著液位的升高逐漸增大

Q2＝Q20＋ΔQ2根據(jù)物料平衡關(guān)系可得：

流入量流出量穩(wěn)態(tài)點(diǎn)處微分

聯(lián)立幾式并整理可得：1RQ1Q2h寫成通用表達(dá)式為：式中T對象的時間常數(shù)

T＝RCR對象的液阻，在此與閥門R2的開度相對應(yīng)，與穩(wěn)態(tài)點(diǎn)有關(guān)。

C對象的液容，C＝A對應(yīng)水箱的截面積K對象的放大系數(shù)

對微分方程求拉式變換可得傳遞函數(shù)：當(dāng)輸入為階躍時解微分方程可得：放大系數(shù)K：當(dāng)t＝∞時可得出：●K與變化過程無關(guān)，只與穩(wěn)態(tài)值有關(guān)，是描述對象靜態(tài)特性的參數(shù)。●K表征了對象輸出在輸入作用下的靈敏程度?！馣與負(fù)荷（穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)）有關(guān)，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近可認(rèn)為是常數(shù)。時間響應(yīng)2、多容過程：在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控過程往往由多個容積和阻力構(gòu)成222222、滯后過程：在工業(yè)生產(chǎn)過程中，過程的純滯后問題是經(jīng)常遇到的。22

小結(jié)：①有自平衡能力對象的特性有單容和多容的情況，容量的不同描述對象特性的微分方程的階次不同。多容可以認(rèn)為是單容串連形成的。②描述有自平衡能力對象的特性，通常用KTτ

三個參數(shù)。三個參數(shù)從不同的角度反映了對象的特征。③高階對象可以用一階對象近似表示。22、非自衡過程建模單容過程

22多容過程

22滯后過程

23、試驗(yàn)法建模（過程辨識）實(shí)驗(yàn)法建模：

是在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，根據(jù)過程輸入、輸出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即通過過程辨識與參數(shù)估計(jì)的方法建立被控過程的數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)法分類：

加專門信號、不加專門信號。加專門信號：

是在試驗(yàn)過程中改變所研究的過程輸入量，對其輸出量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理就可以求得過程的數(shù)學(xué)模型。不加專門信號：

即利用過程在正常操作時所記錄的信號，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來求得過程的數(shù)學(xué)模型。22常用的響應(yīng)曲線法來辨識過程的數(shù)學(xué)模型一、階躍響應(yīng)應(yīng)曲線法階躍響應(yīng)應(yīng)曲線法：測定階躍響應(yīng)應(yīng)曲線的原理很簡單，在被控過程的輸入量作階躍變化時，測定其輸出量隨時間而變化的曲線試驗(yàn)注意事項(xiàng)：

1、合理選擇階躍信號值；

2、在輸入信號前，被控過程必須處于相對穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)；

3、試驗(yàn)時應(yīng)在相同的試驗(yàn)條件下重復(fù)做幾次測試，需獲得兩次以上比較接近的測試數(shù)據(jù)，以減少干擾的影響；4、在試驗(yàn)時應(yīng)在階躍信號做正、反方向變化時分別側(cè)取其響應(yīng)曲線，求其過程的真實(shí)特性。2響應(yīng)曲線2二、矩形脈沖響應(yīng)曲線法矩形脈沖響應(yīng)曲線法：當(dāng)過程長時間處于較大擾動信號作用下時，被控量的變化幅度可能超出實(shí)際生產(chǎn)所允許的范圍，它的過渡過程與終值均偏離正常操作條件，會影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，這時就可以用矩形脈沖信號作為過程的輸入信號，測出過程的矩形脈沖響應(yīng)曲線。2矩形脈沖響應(yīng)曲線及其轉(zhuǎn)換2矩形脈沖響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成階躍響應(yīng)曲線方法：

二矩形脈沖法

測試方法:與階躍響應(yīng)法相同，激勵信號不同。矩形脈沖響應(yīng)轉(zhuǎn)換為階躍響應(yīng)：設(shè)x(t)

為矩形脈沖信號則x(t)＝x1(t)＋x2(t)

而x2(t)＝－x1(t－t0)

即x(t)＝x1(t)-x1(t－t0)矩形脈沖響應(yīng)可認(rèn)為是兩個階躍響應(yīng)的疊加。設(shè)ys(t)為對應(yīng)x1(t)的階躍響應(yīng)ys(t-t0)為對應(yīng)x1(t-t0)的階躍響應(yīng)yp(t)為脈沖響應(yīng)于是有:yp(t)=ys(t)-ys(t-t0)即:ys(t)=