过程系统建模与特性分析.ppt

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1、过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 第二章 过程系统建模与特性分析过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 本章目的1，模型的基本问题2，模型的分类3，建立数学模型的步骤4，建立模型的方法5，过程系统模型的特点（主要掌握一阶和二阶系统）过程控制系

2、统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 数学模型数学模型Mathematical Model(Eykhoff,1974)“用用便便于于使使用用的的形形式式表表达达一一个个存存在在的的（或或者者准准备备建建立立的的）系系统统的实质内容的描述的实质内容的描述”。（所有事情应该尽可能的简单，不仅是简单！）（所有事情应该尽可能的简单，不仅是简单！）2.1.1 模型的基本问题通俗的说：通俗的说：通俗的说：通俗的说：数学模型就是对象本质的抽象

3、数学模型就是对象本质的抽象数学模型就是对象本质的抽象数学模型就是对象本质的抽象过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 模型是对象的最好的近似。所有模型都是不正确的，但却很有用。数学模型是简单和精确的折中，是成本和效益的折中。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与

4、自动化工程学院 模型的分类线性和非线性常微分方程和偏微分方程（集中参数和分布参数）连续和离散过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 模型的应用模型的应用 提高对过程的理解 优化过程设计/操作状态设计过程的控制策略 训练操作工过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与

5、自动化工程学院 一个简单的例子：公共汽车和自行车同时拐半径1.5米的弯。过程动态比计算机控制更重要动态性能更多的依赖于车辆而不是司机建立模型的目的过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 建立模型的目的原材料被周期性的传送，但是过程需要持续的原料流量。容器的容量应该多大才合适？周期传送流持续的传送流时间我们必须为好的动态性能提供过程灵活性过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of e

6、lectrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 建立模型的目的冷却水泵失效了，在反应热逃逸之前我们还有多少时间？温度危险过程动态对安全性来说非常重要过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 过程输入变化：阶跃变化冷却剂比的变化干扰等对输出变量的影响数学模型能够解决这些问题如何影响过程动态多快多大形状建立模型的目的过程控制系统过程控制系统第二章

7、过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 1.定义目标具体设计结果数字值函数关系所需精度2.准备信息勾画过程和辨识系统辨识所需变量状态假设和数据3.公式化模型守恒等价构成等式合理化(连接等式和集合术语)检查自由度无量纲形式4.确定解解析的数字的5.分析结果检查结果以校正限制和近似答案数字方法的精度解释结果画出解描绘特征如震荡或极限数据和假设的相关结果评价敏感度回答“假如”问题6.确认模型选择关键值比较实验结果与更复杂模型结果比较建模步骤六步过程过程控制

8、系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 1，定义目标2，信息准备3，公式表达4，求解方程5，分析结果6，确认模型我们应用六步建模：许多物理系统整个材料平衡成份平衡能量平衡六步建模过程过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 1，定义目标2，信息准备3，公式表

9、达4，求解方程5，分析结果6，确认模型六步建模过程哪些决策？哪些决策？哪些变量？哪些变量？位置位置变量选择例子变量选择例子液位液位压力压力温度温度浓度浓度液体总质量液体总质量蒸气总摩尔数蒸气总摩尔数能量平衡能量平衡各组分质量各组分质量过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 六步建模过程1，定义目标2，信息准备3，公式表达4，求解方程5，分析结果6，确认模型 简述过程简述过程 收集数据收集数据 状态估计状态估计 定义系统定

10、义系统系统的关键 特性系统中任何 位置的变量 都相同过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 六步建模过程1，定义目标2，信息准备3，公式表达4，求解方程5，分析结果6，确认模型守守 恒恒总材料总材料组分材料组分材料能量能量累计质量=质量入-质量出累计组分质量=组分质量入-组分质量出累计过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and

11、automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 六步建模过程1，定义目标2，信息准备3，公式表达4，求解方程5，分析结果6，确认模型首先用哪类方程？首先用哪类方程？关键变量的守恒方程关键变量的守恒方程需要多少方程？需要多少方程？建立守恒条件之后？建立守恒条件之后？建立方程建立方程基于基于 经验经验 数据数据过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 1.定义目标定义目标2.信息准备信息准备3.公

12、式表达公式表达4.求解方程求解方程5.分析结果分析结果6.确认模型确认模型六步建模过程动态模型将包括微分（和代数）方动态模型将包括微分（和代数）方程，因为有累计项。程，因为有累计项。初始条件初始条件对输入变量的改变：强制函数对输入变量的改变：强制函数过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 1.定义目标定义目标2.信息准备信息准备3.公式表达公式表达4.求解方程求解方程5.分析结果分析结果6.确认模型确认模型六步建模过程求

13、解简单模型的解析解，以便明白过程求解简单模型的解析解，以便明白过程与动态响应之间的关系。与动态响应之间的关系。许多结果将会具有相同的项。关键是许多结果将会具有相同的项。关键是过程如何影响过程如何影响 K 和和 。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 1.定义目标定义目标2.信息准备信息准备3.公式表达公式表达4.求解方程求解方程5.分析结果分析结果6.确认模型确认模型六步建模过程用数值方法来求解复杂模型用数值方法来求解

14、复杂模型用偏差来近似导数，我们可以引入欧用偏差来近似导数，我们可以引入欧拉（拉（Euler）法）法其它方法包括其它方法包括Runge-Kutta和和Adams方法。方法。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 1.定义目标定义目标2.信息准备信息准备3.公式表达公式表达4.求解方程求解方程5.分析结果分析结果6.确认模型确认模型六步建模过程因为需要线性化模型，不需要得到精确解。因为需要线性化模型，不需要得到精确解。l 只

15、只能能对对少少数数线线性性模模型型进进行行解解析析求求解。解。l 可以用数值解的方法。可以用数值解的方法。l 我我们们想想要要知知道道K 和和 如如何何依依赖赖于于过程的设计与操作。过程的设计与操作。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 线性化这些项是常数项这些项是常数项这是唯一的变量这是唯一的变量 定义导数变量：定义导数变量：Taylor级数展开，只保留一个常数和线性项。得到如下近似式：级数展开，只保留一个常数和线性

16、项。得到如下近似式：过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 线性化 必须对近似进行估必须对近似进行估计，它依赖于：计，它依赖于：l 非线性非线性l x到到xs的距离的距离 由于过程控制在期望值附近操作变量，所以线性化分析由于过程控制在期望值附近操作变量，所以线性化分析通常（但不总是）有效。通常（但不总是）有效。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical eng

17、ineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 1.定义目标定义目标2.信息准备信息准备3.公式表达公式表达4.求解方程求解方程5.分析结果分析结果6.确认模型确认模型六步建模过程l 检验结果的正确性检验结果的正确性 是否符合预估的符号与形状是否符合预估的符号与形状 遵守假设遵守假设 忽略数值误差忽略数值误差l 绘制结果绘制结果l 评估灵敏性和精确性评估灵敏性和精确性l 经验数据比较经验数据比较过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and auto

18、mation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 1.定义目标定义目标2.信息准备信息准备3.公式表达公式表达4.求解方程求解方程5.分析结果分析结果6.确认模型确认模型六步建模过程切记！切记！你不是体育比赛的观众！你不是体育比赛的观众！你必须做大量的练习！你必须做大量的练习！接下来练习一些建模过程接下来练习一些建模过程过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 建模实例：（建模实例：（1）混合罐）混合罐

19、 混混合合罐罐已已经经运运行行了了很很长长时时间间，输输入入浓浓度度为为0.925kg-mol/m3。输输入入一一个个阶阶跃跃值值到到 1.85kg-mol/m3。其其它它变变量量都都是是常常数数。试试确确定定CA的动态响应。的动态响应。进料体积流量进料的浓度过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 建模实例：（建模实例：（1）混合罐）混合罐过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of

20、 electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 建模实例：（建模实例：（2）连续搅拌槽反应器）连续搅拌槽反应器 CSTR 等等温温CSTR已已经经运运行行了了很很长长时时间间，输输入入浓浓度度为为0.925kg-mol/m3。输输入入一一个个阶阶跃跃值值到到 1.85kg-mol/m3。其其它它变变量量都都是是常常数。试确定数。试确定CA的动态响应。的动态响应。组分的化学反应速度：单位时间内单位容积组分生成的物质的量过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of elect

21、rical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 建模实例：（建模实例：（2）连续搅拌槽反应器）连续搅拌槽反应器 CSTR关关键键特特征征处处的的注释同实例注释同实例1混合罐与混合罐与CSTR哪个反应更快哪个反应更快？过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 建模实例：（建模实例：（3）两个）两个 CSTR 两两个个等等温温CSTR在在稳稳态态值值时时

22、初初始始化化，第第一一个个槽槽输输入入浓浓度度经经历一个阶跃。写出历一个阶跃。写出CA2的模型公式。要仔细定义每个系统。的模型公式。要仔细定义每个系统。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 建模实例：（建模实例：（3）两个）两个 CSTR关关键键特特征征处处的的注释同实例注释同实例1过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and

23、automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 建模实例4：N-L CSTR 等等温温CSTR已已经经运运行行了了很很长长时时间间，输输入入浓浓度度为为常常数数。输输入入成成分分经经历历一一个个阶阶跃跃值值。其其它它变变量量都都是是常常数数。试试确确定定CA的的动动态响应。态响应。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 对线性化模型进行解析求解，非线性模型进行数值求解。对线性化模型进行解析求

24、解，非线性模型进行数值求解。偏偏差差变变量量不不改改变变答答案案，仅仅仅仅对求解值转换。对求解值转换。在在本本例例中中，线线性性化化近近似似接接近近于于真真实实的的非线性解。非线性解。建模实例：（4）N-L CSTR系统的平衡点过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 建模实例：（5）排水槽 排排水水槽槽具具有有连连续续的的输输入入与与输输出出流流。在在稳稳态态值值时时初初始始化化，输入发生一次阶跃减少。试确定时间函数的液

25、位。输入发生一次阶跃减少。试确定时间函数的液位。求解非线性与线性化模型。求解非线性与线性化模型。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 小小流流量量变变化化：线线性性化近似比较好。化近似比较好。大大流流量量变变化化：线线性性化化很很差差建模实例：（5）排水槽过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学

26、电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 动态建模我们已经了解了具有相同输出我们已经了解了具有相同输出“形式形式”的一阶系统的一阶系统阶阶跃跃 输输入入响响应应过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 解解析析关关系系的的重重点点在在于于理理解解关关键键参参数数。在在上上面面的的例例子子中中，已经知道什么影响了增益与时间常数。已经知道什么影响了增益与时间常数。K：稳态增益：稳态增益 l 符号符号l 大小大小l 对对

27、设设计计（如如V）与与操操作（如作（如F）的依赖程度）的依赖程度l 符号（正值为稳定）符号（正值为稳定）l 大小大小l 对对设设计计（如如V）与与操操作（如作（如F）的依赖程度）的依赖程度动态建模：时间常数：时间常数过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 2.2 模型分析方法为什么为什么我们需我们需要更多要更多的动态的动态建模？建模？我可以对它建模。我可以对它建模。我还需要什么？我还需要什么？我想我想l 分别对各组件进行

28、建模分别对各组件进行建模l 根据需要组合根据需要组合l 确定关键动态特征确定关键动态特征过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 我想我想l 分别对各组件进行建模分别对各组件进行建模l 这这将将作作为为一一个个“传传递递函函数数”现现在在我我可可以以组组合合各各组组件件来来对对更更多多的的过过程结构建模程结构建模过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical eng

29、ineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 现现在在我我可可以以组组合合各各组组件件来来对对更更多多的过程结构建模的过程结构建模更惊人的是我更惊人的是我可以将它们组可以将它们组合起来推导出合起来推导出一个简化模型一个简化模型过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 Laplace变换过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of

30、 electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 Laplace变换l 考考虑虑经经过过管管道道的的栓栓塞塞流流。栓栓塞塞流流没没有有被被返返混混；可可以以认认为为一个冰球在管道中行进。一个冰球在管道中行进。l外外界界流流体体特特性性(如如浓浓度度)对对内内部部流流体体特特性性阶阶跃跃变变化化的的动动态态响响应如何？应如何？现在来学习现在来学习一种新的动一种新的动态响应和它态响应和它的的Laplace变换变换过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical

31、 engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 Laplace变换栓塞流的死栓塞流的死区时间值是区时间值是多少？多少？过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 Laplace变换l 它它是是死死区区时间么？时间么？l 它它的的值值是是多少？多少？过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engin

32、eering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 Laplace变换我我们们工工厂厂有有许许多多管管道道。我我们们将将大大量使用该模型。量使用该模型。死区时间动态模型为死区时间动态模型为死区时间后变量的死区时间后变量的Laplace变换为变换为过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 传递函数：对任意输入函数模型有效重新排列一个动态模型的重新排列一个动态模型的Laplace

33、变换变换传传递递函函数数为为输输出出变变量量Y(s)除除以以输输入入变变量量X(s)，同同时时初初始始条条件全部为零。件全部为零。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 传递函数：对任意输入函数模型有效l 我们没有变量我们没有变量“初始值初始值”；为什么？；为什么？l 这对一个阶跃输入有限制否？这对一个阶跃输入有限制否？l 如果是非线性模型会怎样？如果是非线性模型会怎样？l 有多少输入和输出？有多少输入和输出？过程控制系

34、统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 我们为什么这么做？我们为什么这么做？l 折磨学生。折磨学生。l 我我们们有有单单个个的的模模型型，可可以以容容易易地地将将它它们们用用代数方法代数方法组合。组合。l 我我们们可可以以确确定定很很多多关关于于系系统统的的信信息息，而而不用求解不用求解动态模型。动态模型。传递函数：对任意输入函数模型有效我选择第我选择第一个！一个！过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性S

35、chool of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 传递函数：对任意输入函数模型有效如何组合这如何组合这些模型？些模型？过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 传递函数：对任意输入函数模型有效方框图方框图l 单个模型可以很容易被替换。单个模型可以很容易被替换。l 有助于形象化。有助于形象化。l 用箭头表明了因果关系。用箭头表

36、明了因果关系。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 传递函数：对任意输入函数模型有效用用代数方法代数方法来组合方框图来组合方框图过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 定量特征的求解终终值值定定理理：不不需需要要求求解解整整个个瞬瞬态态响响应应来

37、来估估计计动动态态模模型型的的输输出出值。值。一阶系统的例子：一阶系统的例子：过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 定量特征的求解利利用用部部分分分分式式分分解解来来证证明下面的关键结果。明下面的关键结果。通过通过 使传递函数分母的解为使传递函数分母的解为0，D(s)=0。为什么能通过为什么能通过不求解而得到不求解而得到系统动态？系统动态？过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School o

38、f electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 定量特征的求解通过通过 使使D(s)=0，D(s)为多项式。为多项式。l 如果全部如果全部 为为?，则，则Y(t)是稳定的。是稳定的。l 如果任一如果任一 为为?，则，则Y(t)不稳定。不稳定。l 如果全部如果全部 为为?，则，则Y(t)过阻尼而不振荡。过阻尼而不振荡。l 如果一对如果一对 为为?，则，则Y(t)阻尼衰减阻尼衰减。根据方根据方程填空。程填空。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical

39、 engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 分析方法概述传递函数与方框图传递函数与方框图l 系统阶数系统阶数l 最终值最终值l 稳定性稳定性l 阻尼阻尼l 频率响应频率响应我们能确定单我们能确定单个模型并组合。个模型并组合。我们能通过不求我们能通过不求解瞬态响应而得解瞬态响应而得到这些特征。到这些特征。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 我我们们可可

40、以以利利用用标标准准建建模模过过程程来来聚聚焦焦我我们们的的创创造造性。性。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 分析方法概述过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 2.3 模型特性分析l 对一般动态系统典型输入的输出进行预测。对一般动态系统典型

41、输入的输出进行预测。l 推导简单动力学系统重要结构的动态模型。推导简单动力学系统重要结构的动态模型。l 识别由过程结构造成的对过程动态的强影响。识别由过程结构造成的对过程动态的强影响。这一节完成时，这一节完成时，将掌握如下问题：将掌握如下问题：过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 l 一般的简单动态系统。一般的简单动态系统。一阶一阶 二阶二阶 死区时间死区时间（非）自调整（非）自调整l 简单系统的重要结构。简单系统的重

42、要结构。串联串联 并联并联 循环循环 l 讨论讨论本节提纲本节提纲 过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 简单过程系统：一阶基本方程为基本方程为这这个个控控制制容容易易还还是是困困难难？过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 简单过程系统：一阶这

43、这些些是是工工程程应应用用中中简简单单的的一一阶系统。阶系统。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 简单过程系统：二阶基本方程为基本方程为这这个个控控制制容容易易还还是是困困难难？过阻尼过阻尼欠阻尼欠阻尼过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 简

44、单过程系统：二阶这这些些是是工工程程应应用用中中简简单单的二阶系统。的二阶系统。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 简单过程系统：死区时间这这个个控控制制容容易易还还是是困困难难？过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 简单过程系统：积分器l

45、系系统统具具有有许许多多存存量量，它它的的流流入入与与流流出出不不依依赖赖于于存存量量（当当我们不控制或不手动校正时）。我们不控制或不手动校正时）。l 这这些些系系统统通通常常称称为为“纯纯积积分分器器”，因因为为它它们们在在流流入入与与流流出之间对偏差进行积分。出之间对偏差进行积分。过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 画出该情况下的液位画出该情况下的液位简单过程系统：积分器过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特

46、性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 简单过程系统：积分器液位液位过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 简单过程系统：积分器l 非非自自调调整整变变量量看看似似渐渐渐渐远远离离期望值。期望值。l 我们必须控制这些变量。我们必须控制这些变量。什什么么时时候候应应用用控控制制上上去去？过程

47、控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 过程系统的结构不交互影响的串联结构不交互影响的串联结构l 一一个个元元件件的的输输出出不不影影响响同同一个元件的输入一个元件的输入l 常常见见的的例例子子是是在在其其中中有有栓栓塞流的相互串联的槽。塞流的相互串联的槽。方框图如下：方框图如下：过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and auto

48、mation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 不交互影响的串联结构不交互影响的串联结构总体总体每一个元件每一个元件 为一个一阶为一个一阶 系统系统l 总总增增益益为为所所有有增增益乘积益乘积l 不再是一阶系统不再是一阶系统l 比比单单个个元元件件的的系系统要慢统要慢过程系统的结构过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 不交互影响的串联结构不交互影响的串联结构过程系统的结构阶跃响应阶跃响应l 看起来

49、像出现了死区看起来像出现了死区l 光滑、单调、不是一阶光滑、单调、不是一阶l 比单个元素的系统慢比单个元素的系统慢l 过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 不交互影响的串联结构不交互影响的串联结构过程系统的结构每每一一个个元元件件为为一一个个具具有有死死区区的的一一阶系统：阶系统：阶跃响应阶跃响应l S形形l （不严格的）（不严格的）l （严格的）（严格的）l 通常，会出现一些明显的死区时间通常，会出现一些明显的死区时

50、间过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and automation天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院 过程系统的结构并并联联结结构构：为为输输入入与与输输出出之之间间有有多多余余一一条条因因果果关关系系的的路路径径。可以是流量分叉，但也可以从别的过程关系中得到。可以是流量分叉，但也可以从别的过程关系中得到。过程系统的例子过程系统的例子方框图方框图过程控制系统过程控制系统第二章过程模型及特性第二章过程模型及特性School of electrical engineering and