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过程动态特性建模与分析过程动态特性建模与分析于玲浙江大学控制系2008/02/25概要n控制系统的组成n单回路控制系统的描述n简单被控过程的机理建模方法n调节阀的选择原则n广义对象的概念及其动态测试控制系统的基本组成过程末端执行器传感器控制器输入输出期望值液位控制反馈控制液位控制系统的方块图问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？一般的单回路控制系统被控变量被控变量：温度(T)、压力(P)、流量(F)、液位或料位(L)、成分与物性等六大参数。方块图的注意事项正确的画法不正确的画法被控对象动态建模方法n机理建模原理原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。特点特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。n测试建模原理原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。特点特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。机理建模的步骤n根据建模的对象和模型使用的目的进行合理的假设；n根据过程的内在机理建立数学方程；n进行自由度分析，保证模型有解；n简化模型。对象机理建模举例#1（p.28）n 物料平衡方程物料平衡方程：n 流体运动方程流体运动方程：对象机理建模举例#1(续)线性化：一阶过程的描述n一阶过程通常的描述方式为：过程增益K时间常数T#1举例的simulink仿真无振荡的自衡过程K反映了输出变化的幅度#1举例的simulink仿真（续）时间常数T反映了输出变化的快慢工程中常见的一阶对象对象机理建模举例#2n 物料平衡方程物料平衡方程：n 流体运动方程流体运动方程：#2举例的simulink仿真无振荡的自衡过程高阶过程工程上常见的二阶过程机理建模举例#3物料平衡方程：无振荡的非自衡过程工业过程控制对象的特点工业过程控制对象的特点n除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象；n对象动态特性存在不同程度的纯迟延；n对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流量对象外的被调量的变化相对缓慢；n被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。SimuLink的使用介绍的使用介绍n熟悉与掌握系统所提供的SimuLink常用模块，如输入信号、输出显示、传递函数模块、常用数学函数等；n掌握SimuLink运行数据与Matlab数据平台的联结，以及Matlab常用的作图方法；n掌握子系统的封装技术；气动调节阀的结构气动调节阀的结构u(t)：控制器输出 (420 mA 或 010 mA DC)；pc：调节阀气动控制信号；l：阀杆相对位置；f：相对流通面积；q：受调节阀影响的管路相对流量。阀门的阀门的“气开气开”与与“气关气关”1.气开阀与气关阀气开阀与气关阀 *气开阀：pc f (“有气则开”)*气关阀：pc f (“有气则关”)无气源(pc=0)时，气开阀全关，气关阀全开。2.气开阀与气关阀的选择原则气开阀与气关阀的选择原则 *若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。调节阀的气开气关选择调节阀的理想流量特性调节阀的理想流量特性调节阀理想流量特性调节阀理想流量特性：通过控制阀的流量和阀门开度之间的函数关系。f 为相对流量；l 为相对开度：n 线性阀线性阀（1）：n 等百分比阀或称对数阀等百分比阀或称对数阀（2）：调节阀的工作流量特性分析调节阀的工作流量特性分析阀阻比阀阻比 S100：调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比，即调节阀工作流量特性（续）调节阀工作流量特性（续）线性阀的特性变异对数阀的特性变异调节阀流量特性总结调节阀流量特性总结n 线性阀：线性阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当开度到达50 70%时，流量已接近其全开时的数值，即Kv随着开度的增大而显著下降。n 对数阀：对数阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的减少，Kv 渐近于常数。调节阀流量特性的选择调节阀流量特性的选择n 选择原则：选择原则：仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于 0.60 以上（即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。“广义对象”的概念特点：（1）使控制系统的设计与分析简化；（2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性；（3）只关心某些特定的输入输出变量。广义对象的描述可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象：过程增益的计算过程的时间常数过程的时间滞后阶跃响应测试法1n 对象的近似模型：对应参数见左图，而增益为：阶跃响应测试法2广义对象矩形脉冲响应测试法结 论n介绍了简单被控过程的机理建模方法与线性化问题；n讨论了调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则；n讲述了“广义对象”的概念及其动态特性的典型测试方法。习题1.p.37,习题3-4，2.p.38,习题3-8。仿真练习n阅读matlab帮助中Simulink部分有关“Creating Masked Subsystems”的内容，并按照其中的说明构造自己专用的传递函数模块，该模块具有初始的输入和输出，并包含纯滞后环节。n对自己的传递函数模块进行阶跃响应测试，并用plot命令画出阶跃输入和响应输出曲线（标明曲线的横、纵坐标，名称）。并对曲线的线形、颜色、粗细、座标等进行修改。