過(guò)程動(dòng)態(tài)特性建模與分析課件

過(guò)程動(dòng)態(tài)特性建模與分析xxxx浙江大學(xué)控制系1謝謝觀賞2019-5-24過(guò)程動(dòng)態(tài)特性建模與分析xxxx1謝謝觀賞2019-5-24考核說(shuō)明基本原則：平時(shí)成績(jī)60%+期末考試40%。平時(shí)成績(jī)包括以下部分：課堂提問(wèn)與課堂測(cè)試，25% 用以檢驗(yàn)學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)情況，學(xué)生講課與研討課表現(xiàn)，15% 以小組為單位，針對(duì)某些控制問(wèn)題提出控制方案，由教師隨機(jī)選擇某組員進(jìn)行講解；其他同學(xué)參與討論，并評(píng)分。平時(shí)作業(yè)與仿真報(bào)告，20%

2謝謝觀賞2019-5-24考核說(shuō)明基本原則：平時(shí)成績(jī)60%+期末考試40%。2謝謝觀概要過(guò)程特性分類簡(jiǎn)單被控過(guò)程的機(jī)理建模方法調(diào)節(jié)閥的選擇原則廣義對(duì)象的概念測(cè)試法建模3謝謝觀賞2019-5-24概要過(guò)程特性分類3謝謝觀賞2019-5-24一般的反饋控制系統(tǒng)4謝謝觀賞2019-5-24一般的反饋控制系統(tǒng)4謝謝觀賞2019-5-24被控過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的重要性不同的被控過(guò)程具有不同的特性很難改變被控過(guò)程，很容易改變控制器控制工程師能做的就是調(diào)整控制器使其適合被控過(guò)程對(duì)于某一被控過(guò)程，最適合其特性的控制器是最好的控制器。5謝謝觀賞2019-5-24被控過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的重要性不同的被控過(guò)程具有不同的特性5謝謝被控過(guò)程的分類自衡過(guò)程/穩(wěn)定對(duì)象

(1)純滯后過(guò)程 (2)單容過(guò)程 (3)多容過(guò)程非自衡過(guò)程

例如：某些液位對(duì)象與某些放熱反應(yīng)器6謝謝觀賞2019-5-24被控過(guò)程的分類自衡過(guò)程/穩(wěn)定對(duì)象6謝謝觀賞2019-5-24被控過(guò)程舉例#17謝謝觀賞2019-5-24被控過(guò)程舉例#17謝謝觀賞2019-5-24被控過(guò)程舉例#28謝謝觀賞2019-5-24被控過(guò)程舉例#28謝謝觀賞2019-5-24被控過(guò)程舉例#3該被控過(guò)程是否穩(wěn)定，為什么?9謝謝觀賞2019-5-24被控過(guò)程舉例#3該被控過(guò)程是否穩(wěn)定，9謝謝觀賞2019-5-被控過(guò)程舉例#410謝謝觀賞2019-5-24被控過(guò)程舉例#410謝謝觀賞2019-5-24被控對(duì)象動(dòng)態(tài)建模方法機(jī)理建模

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。

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。測(cè)試建模

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)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。

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。11謝謝觀賞2019-5-24被控對(duì)象動(dòng)態(tài)建模方法機(jī)理建模11謝謝觀賞2019-5-24機(jī)理建模的步驟根據(jù)建模的對(duì)象和模型使用的目的進(jìn)行合理的假設(shè)；根據(jù)過(guò)程的內(nèi)在機(jī)理建立數(shù)學(xué)方程；進(jìn)行自由度分析，保證模型有解；簡(jiǎn)化模型。12謝謝觀賞2019-5-24機(jī)理建模的步驟根據(jù)建模的對(duì)象和模型使用的目的進(jìn)行合理的假設(shè)物料平衡方程：?jiǎn)栴}討論：如何采用SimuLink建立被控過(guò)程的仿真模型并設(shè)置初始運(yùn)行狀態(tài)?出口流量與液位的關(guān)系：建模舉例#113謝謝觀賞2019-5-24物料平衡方程：?jiǎn)栴}討論：出口流量與液位的關(guān)系：建模舉例建模舉例#114謝謝觀賞2019-5-24建模舉例#114謝謝觀賞2019-5-24建模舉例#1

物料平衡方程：

流體運(yùn)動(dòng)方程：15謝謝觀賞2019-5-24建模舉例#1物料平衡方程：流體運(yùn)動(dòng)方程：15謝謝觀賞2建模舉例#1線性化：16謝謝觀賞2019-5-24建模舉例#1線性化：16謝謝觀賞2019-5-24一階過(guò)程的描述一階過(guò)程通常的描述方式為：過(guò)程增益K時(shí)間常數(shù)T17謝謝觀賞2019-5-24一階過(guò)程的描述一階過(guò)程通常的描述方式為：過(guò)程增益K時(shí)間常數(shù)T一階過(guò)程的仿真無(wú)振蕩的自衡過(guò)程K反映了輸出變化的幅度18謝謝觀賞2019-5-24一階過(guò)程的仿真無(wú)振蕩的自衡過(guò)程K反映了輸出變化的幅度18謝謝一階過(guò)程的仿真（續(xù)）時(shí)間常數(shù)T反映了輸出變化的快慢19謝謝觀賞2019-5-24一階過(guò)程的仿真（續(xù)）時(shí)間常數(shù)T反映了輸出變化的快慢19謝謝觀建模舉例#2

物料平衡方程：

流體運(yùn)動(dòng)方程：20謝謝觀賞2019-5-24建模舉例#2物料平衡方程：流體運(yùn)動(dòng)方程：20謝謝觀賞2建模舉例#2

物料平衡方程：

流體運(yùn)動(dòng)方程：21謝謝觀賞2019-5-24建模舉例#2物料平衡方程：流體運(yùn)動(dòng)方程：21謝謝觀賞2二階過(guò)程仿真無(wú)振蕩的自衡過(guò)程22謝謝觀賞2019-5-24二階過(guò)程仿真無(wú)振蕩的自衡過(guò)程22謝謝觀賞2019-5-24串聯(lián)系統(tǒng)23謝謝觀賞2019-5-24串聯(lián)系統(tǒng)23謝謝觀賞2019-5-24一階對(duì)象的串聯(lián)系統(tǒng)24謝謝觀賞2019-5-24一階對(duì)象的串聯(lián)系統(tǒng)24謝謝觀賞2019-5-24課堂練習(xí)2——一階和滯后過(guò)程25謝謝觀賞2019-5-24課堂練習(xí)2——一階和滯后過(guò)程25謝謝觀賞2019-5-24課堂練習(xí)326謝謝觀賞2019-5-24課堂練習(xí)326謝謝觀賞2019-5-24課堂練習(xí)3——仿真結(jié)果27謝謝觀賞2019-5-24課堂練習(xí)3——仿真結(jié)果27謝謝觀賞2019-5-24工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象的特點(diǎn)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；對(duì)象動(dòng)態(tài)特性存在不同程度的純遲延；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；被控對(duì)象往往具有非線性、不確定性與時(shí)變等特性。28謝謝觀賞2019-5-24工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象的特點(diǎn)除液位對(duì)象外的大多數(shù)被控對(duì)象本身是穩(wěn)定換熱器溫度控制系統(tǒng)

過(guò)程描述與信號(hào)流程圖?29謝謝觀賞2019-5-24換熱器溫度控制系統(tǒng)過(guò)程描述與信號(hào)流程圖?29謝謝觀賞20溫度控制系統(tǒng)的信號(hào)流程圖30謝謝觀賞2019-5-24溫度控制系統(tǒng)的信號(hào)流程圖30謝謝觀賞2019-5-24氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)u(t)：控制器輸出(4~20mA或0~10mADC)；pc：調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)控制信號(hào)（20~100kPa

）；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。31謝謝觀賞2019-5-24氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)u(t)：控制器輸出31謝謝觀賞2019-5閥門的“氣開”與“氣關(guān)”1.氣開閥與氣關(guān)閥*氣開閥：pc↑→f↑(“有氣則開”)*氣關(guān)閥：pc↑→f↓(“有氣則關(guān)”)無(wú)氣源(pc=0)時(shí)，氣開閥全關(guān)，氣關(guān)閥全開。2.氣開/氣關(guān)的選擇原則——安全性*若無(wú)氣源時(shí)，希望閥全關(guān)，則應(yīng)選擇氣開閥，如加熱爐瓦斯氣調(diào)節(jié)閥；若無(wú)氣源時(shí)，希望閥全開，則應(yīng)選擇氣關(guān)閥，如加熱爐進(jìn)風(fēng)蝶閥。32謝謝觀賞2019-5-24閥門的“氣開”與“氣關(guān)”1.氣開閥與氣關(guān)閥2.氣開/氣關(guān)調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)選擇33謝謝觀賞2019-5-24調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)選擇33謝謝觀賞2019-5-24調(diào)節(jié)閥的理想流量特性調(diào)節(jié)閥理想流量特性：通過(guò)控制閥的流量和閥門開度之間的函數(shù)關(guān)系。f為相對(duì)流量；l為相對(duì)開度：

線性閥（1）：等百分比閥或稱對(duì)數(shù)閥（2）：34謝謝觀賞2019-5-24調(diào)節(jié)閥的理想流量特性調(diào)節(jié)閥理想流量特性：通過(guò)控制閥的流量和閥閥阻比S100：調(diào)節(jié)閥全開時(shí)的兩端壓降與系統(tǒng)總壓降之比，即調(diào)節(jié)閥工作流量特性35謝謝觀賞2019-5-24閥阻比S100：調(diào)節(jié)閥全開時(shí)的兩端壓降與系統(tǒng)總壓降之比，即調(diào)節(jié)閥工作流量特性（續(xù)）線性閥的特性變異對(duì)數(shù)閥的特性變異36謝謝觀賞2019-5-24調(diào)節(jié)閥工作流量特性（續(xù)）線性閥的特性變異對(duì)數(shù)閥的特性變異36調(diào)節(jié)閥流量特性總結(jié)

線性閥：在理想情況下，調(diào)節(jié)閥的放大增益Kv與閥門開度無(wú)關(guān)；而隨著管路系統(tǒng)閥阻比的減少，當(dāng)開度到達(dá)50~70%時(shí)，流量已接近其全開時(shí)的數(shù)值，即Kv隨著開度的增大而顯著下降。

對(duì)數(shù)閥：在理想情況下，調(diào)節(jié)閥的放大增益Kv隨著閥門開度的增大而增加；而隨著管路系統(tǒng)閥阻比的減少，Kv漸近于常數(shù)。37謝謝觀賞2019-5-24調(diào)節(jié)閥流量特性總結(jié)線性閥：在理想情況下，調(diào)節(jié)閥的放大增益調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇選擇原則：僅當(dāng)對(duì)象特性近似線性而且閥阻比大于0.60

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)；其他情況大都應(yīng)選擇對(duì)數(shù)閥。38謝謝觀賞2019-5-24調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇選擇原則：38謝謝觀賞2019-5-“廣義對(duì)象”的概念特點(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。39謝謝觀賞2019-5-24“廣義對(duì)象”的概念特點(diǎn)：（1）使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析簡(jiǎn)化；3廣義對(duì)象的描述可用一階加純滯后模型來(lái)描述廣義對(duì)象：40謝謝觀賞2019-5-24廣義對(duì)象的描述可用一階加純滯后模型來(lái)描述廣義對(duì)象：40謝謝觀過(guò)程增益的計(jì)算41謝謝觀賞2019-5-24過(guò)程增益的計(jì)算41謝謝觀賞2019-5-24過(guò)程增益計(jì)算舉例#142謝謝觀賞2019-5-24過(guò)程增益計(jì)算舉例#142謝謝觀賞2019-5-24過(guò)程增益計(jì)算舉例#243謝謝觀賞2019-5-24過(guò)程增益計(jì)算舉例#243謝謝觀賞2019-5-24過(guò)程增益計(jì)算舉例#344謝謝觀賞2019-5-24過(guò)程增益計(jì)算舉例#344謝謝觀賞2019-5-24過(guò)程增益?zhèn)渥⑦^(guò)程增益描述了穩(wěn)態(tài)條件下，過(guò)程輸出對(duì)輸入變量變化的靈敏度。被控過(guò)程增益包括三部分：符號(hào)、數(shù)值與單位。過(guò)程增益只涉及兩個(gè)穩(wěn)態(tài)，因此說(shuō)過(guò)程增益反映了被控過(guò)程的靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)特性。有時(shí)，也稱“靜態(tài)/穩(wěn)態(tài)增益”。45謝謝觀賞2019-5-24過(guò)程增益?zhèn)渥⑦^(guò)程增益描述了穩(wěn)態(tài)條件下，過(guò)程輸出對(duì)輸入變量變化過(guò)程的時(shí)間常數(shù)基本定義

對(duì)單容過(guò)程而言，過(guò)程一階時(shí)間常數(shù)定義為

過(guò)程輸出開始變化至達(dá)到全部變化的63.2%所需的時(shí)間.46謝謝觀賞2019-5-24過(guò)程的時(shí)間常數(shù)基本定義46謝謝觀賞2019-5-24過(guò)程的時(shí)間滯后基本定義

過(guò)程純滯后時(shí)間定義為

過(guò)程輸入施加激勵(lì)至過(guò)程輸出開始變化所需的時(shí)間.47謝謝觀賞2019-5-24過(guò)程的時(shí)間滯后基本定義47謝謝觀賞2019-5-24關(guān)于過(guò)程特性參數(shù)

K,T,τ這三個(gè)參數(shù)的取值描述了一個(gè)實(shí)際被控過(guò)程的基本特性，其中

K

反映靜態(tài)特性，而T、τ反映了過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。

由于絕大多數(shù)工業(yè)過(guò)程為非線性對(duì)象，即使對(duì)于同一被控過(guò)程，上述參數(shù)也將隨工況的變化而變化。對(duì)象兩時(shí)間參數(shù)的比值（τ/T）直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的可控性。τ/T越大，控制難度越大。48謝謝觀賞2019-5-24關(guān)于過(guò)程特性參數(shù)K,T,τ這三個(gè)參數(shù)的取值描述了一個(gè)實(shí)際被控對(duì)象動(dòng)態(tài)建模方法機(jī)理建模

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。

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。測(cè)試建模

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)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。

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。49謝謝觀賞2019-5-24被控對(duì)象動(dòng)態(tài)建模方法機(jī)理建模49謝謝觀賞2019-5-24對(duì)象特性的階躍響應(yīng)測(cè)試法借助于階躍響應(yīng)試驗(yàn)，獲取過(guò)程輸入輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。 (1)將控制器改為“手動(dòng)”操作模式； (2)以階躍方式，改變控制器輸出； (3)記錄控制器輸出與變送器輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)?；谶^(guò)程測(cè)試數(shù)據(jù)，估計(jì)廣義對(duì)象的特性參數(shù)

50謝謝觀賞2019-5-24對(duì)象特