工业过程控制讲稿.ppt

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1、工业过程控制工业过程控制第一页，讲稿共七十页哦第二页，讲稿共七十页哦4.14.1过程建模的基本概念过程建模的基本概念第三页，讲稿共七十页哦2 2 基本概念基本概念第四页，讲稿共七十页哦非参量模型非参量模型当当数数学学模模型型是是采采用用曲曲线线或或数数据据表表格格等等来来表表示示时时，称为非参量模型。称为非参量模型。特点特点形形象象、清清晰晰，比比较较容容易易看看出出其其定定性性的的特特征征 缺点缺点直接利用它们来进行系统的分析和设直接利用它们来进行系统的分析和设计往往比较困难计往往比较困难 第五页，讲稿共七十页哦 当当数数学学模模型型是是采采用用数数学学方方程程式式来来描描述述时时，称称为为

2、参参量量模模型。型。参量模型参量模型静态数学模型静态数学模型比较简单比较简单,一般可用代数方程式表示。一般可用代数方程式表示。动态数学模型动态数学模型的形式主要有微分方程、传递函数、的形式主要有微分方程、传递函数、差分方程及状态方程等差分方程及状态方程等 第六页，讲稿共七十页哦3.3.建模的目的建模的目的（1）设计过程控制系统和整定调节器参数）设计过程控制系统和整定调节器参数（2）指导设计生产工艺设备）指导设计生产工艺设备（3）进行仿真试验研究）进行仿真试验研究（4）故障检测诊断的指导）故障检测诊断的指导第七页，讲稿共七十页哦4.4.数学模型及描述方法数学模型及描述方法自自动动控控制制系系统统

3、是由被控对象、测量变送装置、控制器和执行器组成。研研究究对对象象的的特特性性，就就是是用用数数学学的的方方法法来来描描述述出出对对象象输输入入量量与与输输出出量量之之间间的的关关系系。这这种种对对象象特特性性的的数数学学描描述述就就称称为为对对象象的的数数学学模模型型。干扰作用和控制作用都是引起被控变量变化的因素。干扰作用和控制作用都是引起被控变量变化的因素。通道通道 控制通道控制通道干扰通道干扰通道？几个概念几个概念对象的输入、输出量第八页，讲稿共七十页哦v过程在输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其输出量（被过程在输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其输出量（被控量）随输入量变化的数学函数

4、关系表达式。控量）随输入量变化的数学函数关系表达式。v被控过程输入量与输出量之间的信号联系称为通道。被控过程输入量与输出量之间的信号联系称为通道。v控制通道：控制作用与被控变量之间的信号联系通道。控制通道：控制作用与被控变量之间的信号联系通道。v扰动通道：扰动作用与被控变量之间的信号联系通道。扰动通道：扰动作用与被控变量之间的信号联系通道。数学模型数学模型第九页，讲稿共七十页哦常用的数学模型有哪些？常用的数学模型有哪些？连续系统：微分方程、传递函数、状态方程连续系统：微分方程、传递函数、状态方程离散系统：差分方程、离散化传递函数、离散系统：差分方程、离散化传递函数、离散化状态方程离散化状态方程

5、第十页，讲稿共七十页哦 在允许的范围内，多数化工对象动态特性可以忽略输入在允许的范围内，多数化工对象动态特性可以忽略输入量的导数项可表示为量的导数项可表示为 通通常常可可用用常常系系数数线线性性微微分分方方程程式式来来描描述述，如如果果以以x（t t）表表示示输输入入量量，y（t t）表表示示输输出出量量，则则对对象象特特性性可可用用下下列微分方程式来描述列微分方程式来描述 5 5.微分方程微分方程第十一页，讲稿共七十页哦 所谓一个环节所谓一个环节 (或对象或对象)的传递函数是在初始条件为的传递函数是在初始条件为零时零时,这个环节输出变量的拉氏变换与输入变量的拉氏变这个环节输出变量的拉氏变换与

6、输入变量的拉氏变换之比换之比,记为记为拉氏变换是对函数的一种变换拉氏变换是对函数的一种变换,定义为定义为 6.6.传递函数传递函数第十二页，讲稿共七十页哦 运用拉氏变换的线性性质与微分性质,对式 两端分别取拉氏变换,则得由此式可以方便地得到系统传递函数的一般形式第十三页，讲稿共七十页哦举例举例一一个个对对象象如如果果可可以以用用一一个个一一阶阶微微分分方方程程式式来来描描述述其其特性（通常称一阶对象），则可表示为特性（通常称一阶对象），则可表示为对于一阶对象对于一阶对象,两端取拉氏变换两端取拉氏变换,得得因此一阶对象的传递函数形式为因此一阶对象的传递函数形式为第十四页，讲稿共七十页哦7.第十五

7、页，讲稿共七十页哦第十六页，讲稿共七十页哦分类分类数学模型建立的途径不同 机理建模机理建模 实测建模实测建模 混合模型混合模型第十七页，讲稿共七十页哦机理模型机理模型从机理出发从机理出发,即从对象内在的物理和化学规律出即从对象内在的物理和化学规律出发发,建立描述对象输入输出特性的数学模型。建立描述对象输入输出特性的数学模型。经验模型经验模型对于已经投产的生产过程对于已经投产的生产过程,我们可以通过实验测我们可以通过实验测试或依据积累的操作数据试或依据积累的操作数据,对系统的输入输出数据对系统的输入输出数据,通过数学通过数学回归方法进行处理。回归方法进行处理。混合模型混合模型通过机理分析通过机理

8、分析,得出模型的结构或函数形式，得出模型的结构或函数形式，而对其中的部分参数通过实测得到。而对其中的部分参数通过实测得到。第十八页，讲稿共七十页哦解析法建模依据解析法建模依据静态物料（或能量）平衡关系：单位时间内进入被静态物料（或能量）平衡关系：单位时间内进入被控过程的物料（或能量）等于单位时间内从被控过控过程的物料（或能量）等于单位时间内从被控过程流出的物料（或能量）程流出的物料（或能量）动态物料（或能量）平衡关系：单位时间内进入动态物料（或能量）平衡关系：单位时间内进入被控过程的物料（或能量）减去单位时间内从被被控过程的物料（或能量）减去单位时间内从被控过程流出的物料（或能量）等于被控过程

9、内物控过程流出的物料（或能量）等于被控过程内物料（或能量）存储量的变化率。料（或能量）存储量的变化率。第十九页，讲稿共七十页哦 1.1.单容过程的解析法建模单容过程的解析法建模对象物料蓄存量的变化率对象物料蓄存量的变化率单位时间流入对象的物料单位时间流出对象的物单位时间流入对象的物料单位时间流出对象的物料料依据：动态平衡关系依据：动态平衡关系4.2 4.2 解析法建立过程的数学模型（机理建模）解析法建立过程的数学模型（机理建模）A第二十页，讲稿共七十页哦（1）将上式代入（1）式，移项令令则则水箱对象的传递函数为一阶惯性环节一阶惯性环节若变化量很微小变化量很微小，可以近似认为Q2与h 成正比Rs

10、：液阻A第二十一页，讲稿共七十页哦一阶惯性环节一阶惯性环节的特性的特性初始斜率为T t=T的时候，h=0.632h()K=Rs，随着h的升高，液阻加大，导致K增大 T=RsA，h升高时，Rs加大，导致T也增大 A截面积，截面积增大，则容量增大，系统响应越慢 第二十二页，讲稿共七十页哦其它单容其它单容对象对象电加热炉 第二十三页，讲稿共七十页哦压力对象其它单容其它单容对象对象第二十四页，讲稿共七十页哦解析法建模的一般步骤解析法建模的一般步骤1、明确过程的、明确过程的输入输入变量、变量、输出输出变量和其他中间变量；变量和其他中间变量；2、依据过程的、依据过程的内在机理内在机理和有关定理以及公式列写

11、静态方程和有关定理以及公式列写静态方程和动态方程；和动态方程；3、消去中间变量，求取、消去中间变量，求取输入输入、输出输出变量的关系方程；变量的关系方程；4、化简成控制要求的形式。、化简成控制要求的形式。第二十五页，讲稿共七十页哦练习：练习：RC电路电路ei若取为输入参数，若取为输入参数，eo为输出参数，根据基尔霍夫定律为输出参数，根据基尔霍夫定律 由于由于消去消去i i或或RC电路RC电路的传递函数为电路的传递函数为第二十六页，讲稿共七十页哦当对象的当对象的输出参数输出参数与与输入参数对时间的积分输入参数对时间的积分成比例关系时，称成比例关系时，称为为积分对象积分对象。Q2为常数，变化量为0

12、，即：说明，所示贮槽具有积分特性。（2）阀2改为定量泵的液位过程积分对象 2.2.积分对象积分对象A（1）（1）式变为：第二十七页，讲稿共七十页哦 在初始条件为零时在初始条件为零时,根据拉氏变换的积分性质根据拉氏变换的积分性质,对式对式(2)(2)进行进行拉氏变换拉氏变换,则有则有 积分对象的传递函数积分对象的传递函数G(s)为为令令则则（2）第二十八页，讲稿共七十页哦3.3.时滞对象时滞对象 有的对象或过程有的对象或过程,在受到输入作用后在受到输入作用后,输出变量要隔上输出变量要隔上一段时间才有响应一段时间才有响应,这种对象称为具有时滞特性的对象这种对象称为具有时滞特性的对象,而这段而这段时

13、间就称为时滞时间就称为时滞0 0(或纯滞后或纯滞后)。时滞的产生一般是由于介质的输送需要一段时间而引起的。时滞的产生一般是由于介质的输送需要一段时间而引起的。第二十九页，讲稿共七十页哦显显然然，纯滞后时间0与皮带输送机的传送速度v和传送距离L有如下关系：溶解槽及其反应曲线纯滞后时间举例举例第三十页，讲稿共七十页哦从从测测量量方方面面来来说说，由由于于测测量量点点选选择择不不当当、测测量量元元件件安安装装不不合合适适等等原原因也会造成传递滞后。因也会造成传递滞后。蒸汽直接加热器 当当加加热热蒸蒸汽汽量量增增大大时时，槽槽内内温温度度升升高高，然然而而槽槽内内溶溶液液流流到到管管道道测测温温点点处

14、处还还要要经经过过一一段段时时间间0。所所以以，相相对对于于蒸蒸汽汽流流量量变变化化的的时时刻刻，实实际际测测得得的的溶溶液液温温度度T要要经经过过时时间间0后后才开始变化。才开始变化。注注注注意意意意：安安装装成成分分分分析析仪仪器器时时，取取样样管管线线太太长长，取取样样点点安安装装离离设设备备太太远，都会引起较大的纯滞后时间，工作中要尽量避免。远，都会引起较大的纯滞后时间，工作中要尽量避免。第三十一页，讲稿共七十页哦时滞对象输入输出特性x为输入量将在初始条件为零时进行拉氏变换,得因此,时滞对象的传递函数为第三十二页，讲稿共七十页哦 对象可以用一阶微分方程式来描述对象可以用一阶微分方程式来

15、描述,但输入变量与输出变量之间有一段时滞但输入变量与输出变量之间有一段时滞0在初始条件为零时在初始条件为零时,对上式进行拉氏变换对上式进行拉氏变换,得得整个对象的传递函数为整个对象的传递函数为Q0L令令则则练习：练习：练习：练习：一阶惯性一阶惯性一阶惯性一阶惯性+纯滞后纯滞后纯滞后纯滞后（1）第三十三页，讲稿共七十页哦 4.4.二阶对象（双容过程）二阶对象（双容过程）q1为过程输入量，h2为过程输出量对上述式子拉式变换为：第三十四页，讲稿共七十页哦第三十五页，讲稿共七十页哦v双容过程阶跃响应曲线双容过程阶跃响应曲线第三十六页，讲稿共七十页哦 5.N 5.N阶自衡对象（多容过程）阶自衡对象（多容

16、过程）第三十七页，讲稿共七十页哦 6.6.非自衡双容过程非自衡双容过程第三十八页，讲稿共七十页哦 7.7.非自衡多容过程非自衡多容过程非自衡滞后过程第三十九页，讲稿共七十页哦通过操作调节阀，是被控过程的控制输入产生一阶跃变化或方波变化，得到被控量随时间变化的响应曲线或者输出数据，再根据输入-输出数据，求取过程的输入-输出之间的数学关系。测试信号的不同阶跃响应曲线矩形脉冲（方波）曲线频率特性曲线（正弦波）4.3 4.3 实验法建立过程的数学模型实验法建立过程的数学模型响应曲线法响应曲线法第四十页，讲稿共七十页哦在测试过程中要注意：加测试信号之前，对象的输入量和输出量应尽可能稳定一段时间，不然会影

17、响测试结果的准确度。对于具有时滞的对象，当输入量开始作阶跃变化时，其对象的输出量并未开始变化,这时要在记录纸上标出开始施加输入作用的时刻，即反应曲线的起始点，以便计算滞后时间。重复数次测量，正反阶跃输入，保证测试精度。阶跃信号幅度适中，调节阀开度5%15%变化。第四十一页，讲稿共七十页哦1.阶跃响应曲线法阶跃响应曲线法第四十二页，讲稿共七十页哦第四十三页，讲稿共七十页哦第四十四页，讲稿共七十页哦被控过程数学模型的几个参数放大系数K：在数值上等于对象处于稳定状态时输出变化量与输入变化量之比：放大系数是描述对象静态特性的参数。第四十五页，讲稿共七十页哦放大系数（静态增益）例如：单容水槽，当调节阀开

18、度从25%加大到45%，水槽液位从20%升高到50%，求：对象的放大系数（静态增益）解：第四十六页，讲稿共七十页哦被控过程数学模型的几个参数时间常数T：指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或：当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时间。反映被控变量变化快慢的一个重要动态参数。第四十七页，讲稿共七十页哦被控过程数学模型的几个参数滞后时间：是纯滞后时间0和容量滞后C的总和。纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。滞后时间是反映对象动态特性的另

19、一个重要参数。定义对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化，这种现象称为滞后现象。第四十八页，讲稿共七十页哦在容量滞后与纯滞后同时存在时，常常把两者合起来统称滞后时间，即0c。自动控制系统中，滞后的存在是不利于控制的。所以，在设计和安装控制系统时，都应当尽量把滞后时间减到最小。注意滞后时间示意图第四十九页，讲稿共七十页哦第五十页，讲稿共七十页哦第五十一页，讲稿共七十页哦第五十二页，讲稿共七十页哦第五十三页，讲稿共七十页哦第五十四页，讲稿共七十页哦第五十五页，讲稿共七十页哦第五十六页，讲稿共七十页哦2.方波（矩形脉冲）响应曲线法方波（矩形脉冲）响应曲线法第五十七页，讲稿共七十页哦v矩

20、形脉冲响应实验，是给对象加一个外部矩形脉冲输入，矩形脉冲响应实验，是给对象加一个外部矩形脉冲输入，然后测定对象的响应曲线，根据曲线进行对象的建模；然后测定对象的响应曲线，根据曲线进行对象的建模；v建模步骤：建模步骤：测定脉冲响应曲线 将曲线转换为阶跃响应曲线 根据曲线确定数学模型 第五十八页，讲稿共七十页哦实验注意事项 系统应该在被测工况上稳定地运行中 脉冲幅度应该足够大，以相对减少干扰量 实验应该进行到接近稳态，或者响应速度达到最大以后 应该在正反方向上重复做几次，以得到重复性结果 曲线的起始部分最重要 第五十九页，讲稿共七十页哦曲线的转换（1）矩形脉冲输入，其实就是两个方向相反，有一定时间

21、间隔的阶跃输入的叠加，即 第六十页，讲稿共七十页哦曲线的转换（2）根据线性系统的叠加原理根据线性系统的叠加原理根据线性系统的叠加原理根据线性系统的叠加原理 若对象的单位阶跃响应为y(t)，那么，其脉冲响应曲线应该为：即，根据矩形脉冲响应曲线转变为阶跃响应曲线的原理为：第六十一页，讲稿共七十页哦曲线的转换（3）第六十二页，讲稿共七十页哦曲线转换步骤（1）将时间轴以t0为间隔，分成n等份 第六十三页，讲稿共七十页哦曲线转换步骤（2）在0t0时间段内，y*(t)应该与y(t)重合；在t02t0之间，画出-y(t-t0)，其形状，应该与y(t)一致；第六十四页，讲稿共七十页哦曲线转换步骤（3）在t02

22、t0之间，将y*(t)与y(t-t0)进行叠加；第六十五页，讲稿共七十页哦曲线转换步骤（4）在2t03t之间，反方向画出-y(t-t0)，其形状，应该与y(t)一致；第六十六页，讲稿共七十页哦曲线转换步骤（5）以后重复最终得到y(t)曲线 第六十七页，讲稿共七十页哦例题分析例题分析某温度计是一静态放大系数为1的一阶环节。当温度计由温度为 0的地方突然插入温度为100的沸水中，经1min后,温度指示值达到98.5。试确定该温度计的时间常数T,并写出其相应的微分方程式与传递函数。解：解：解：解：已知K=1，输入阶跃幅值为100，t=60s时，其温度值y=98.5，则有由上式可以解得 T=14.3(s)第六十八页，讲稿共七十页哦例题分析例题分析由此可写出描述该温度计的微分方程为式中，y表示输出量(温度值)；x表示输入变化量，式中的时间量纲为s。将上述微分方程式在零初始条件下进行拉氏变换，可得传递函数为第六十九页，讲稿共七十页哦模型准确性检验模型准确性检验v仿真仿真v曲线比较曲线比较第七十页，讲稿共七十页哦