第2章 化学工艺学.ppt

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1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化第二章第二章 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 湖北大学化学化工学院 杨世芳内容提要内容提要n化工过程的特点及其描述方法化工过程的特点及其描述方法n对象数学模型的建立对象数学模型的建立n建模目的建模目的n机理建模机理建模n实验建模实验建模n描述对象特性的参数描述对象特性的参数n放大系数放大系数n时间常数时间常数n滞后时间滞后时间12湖北大学化学化工学院 杨世芳2.1 化工过程的特点及其描述方法化工过程的特点及其描述方法 自自动动控控制制系系统统是由被控对象、测量变送装置、控制器和执行器组成。系统的控制质量与被控对象的特性有密切的关系。研究对象的特性，就是

2、用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系。这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。干扰作用和控制作用都是引起被控变量变化的因素，如下图所示。输出变量输出变量输入变量输入变量通道通道 控制通道控制通道干扰通道干扰通道？几个概念几个概念图2-1 对象的输入输出量3湖北大学化学化工学院 杨世芳通道：通道：指输入变量对输出变量的作用途径。设计控制系统的指输入变量对输出变量的作用途径。设计控制系统的操纵变量被控变量干扰作用干扰通道对象控制通道控制通道；操纵变量对被控变量的作用途径控制通道；干扰作用对被控变量的作用途径对象的负荷：对象的负荷：当生产处于稳定状态时，单位时间内流入或流出当生产处于

3、稳定状态时，单位时间内流入或流出对象的物料或能量。例如液体贮槽的物料液位、锅炉的出汽对象的物料或能量。例如液体贮槽的物料液位、锅炉的出汽量等。负荷变化的大小、快慢和次数是系统干扰作用，它直量等。负荷变化的大小、快慢和次数是系统干扰作用，它直接影响控制过程的稳定性，负荷的稳定有利于控制。接影响控制过程的稳定性，负荷的稳定有利于控制。几个概念几个概念4湖北大学化学化工学院 杨世芳n对象的自衡：对象的自衡：对象的负荷改变后，无需外界的控制作用，被对象的负荷改变后，无需外界的控制作用，被控变量能自行趋于一个新的稳定值，这种特性称为对象的自控变量能自行趋于一个新的稳定值，这种特性称为对象的自衡。衡。例如

4、水槽对象 稳定时Q1Q2，h保持稳定。如Q1突然增加，h逐渐增加，由于h，Q2随液体静压强而，Q1与Q2的差值逐渐减小，h减慢，最后Q1与Q2重新相等，h又自行稳定在新的高度h/上.有自衡的对象有利于控制。除部分反应器、锅炉汽包、泵排液对象之外，大多数有自衡性质。水槽对象5湖北大学化学化工学院 杨世芳对象的数学模型分为静态数学模型和动态数学模型对象的数学模型分为静态数学模型和动态数学模型静态数学模型静态数学模型动态数学模型动态数学模型基础基础特例特例6湖北大学化学化工学院 杨世芳一一般般是是在在工工艺艺流流程程和和设设备备尺尺寸寸等等都都确确定定的的情情况况，研研究究对对象象的的输输入入变变量

5、量是是如如何何影影响响输输出变量的。出变量的。研研究究的的目目的的是是为为了了使使所所设设计计的的控控制制系系统统达达到到更更好好的的控控制制效果。效果。在在产产品品规规格格和和产产量量已已确确定定的的情情况况下下，通通过过模模型型计计算算，确确定定设设备备的的结结构构、尺尺寸寸、工工艺艺流流程程和和某某些些工工艺条件。艺条件。（a）（b）（c）用于用于控制控制的数学模型（的数学模型（a、b）与用于）与用于工艺设计与分析工艺设计与分析的数学的数学模型（模型（c）不完全相同。）不完全相同。47湖北大学化学化工学院 杨世芳n数学模型的表达形式分类数学模型的表达形式分类(1)(1)非参量模型非参量模

6、型 当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，称为非参量模型。非参量模型可以通过记录实验结果来得到，有时也可以通过计算来得到。特点特点形象、清晰，比较容易看出其定性的特征 缺点缺点直接利用它们来进行系统的分析和设计往往比较困难 表达形式表达形式对象在一定形式输入作用下的输出曲线或数据来表示 8湖北大学化学化工学院 杨世芳 当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模型。对象的参量模型可以用描述对象输入、输出关系的微分方程式、偏微分方程式、状态方程、差分方程等形式来表示。(2)(2)参量模型参量模型9湖北大学化学化工学院 杨世芳对于线性的集中参数对象对于线性的集中参数对象 通常可用常系数线性微

7、分方程式来描述，如果以x（t）表示输入量，y（t）表示输出量，则对象特性可用下列微分方程式来描述在允许的范围内，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 （2-1）10湖北大学化学化工学院 杨世芳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其特性（通常称一阶对象），则可表示为述其特性（通常称一阶对象），则可表示为或表示成或表示成式中式中（2-2）（2-3）上式中的系数与对象的特性有关，一般需要通过对象的内部机理分析或大量的实验数据处理得到。11湖北大学化学化工学院 杨世芳2.2 对象数学模型的建立对象数学模型的建立2.2.1建模目的建模目

8、的（1）控制系统的方案设计（2）控制系统的调试和控制器参数的确定 （3）制定工业过程操作优化方案 （4）新型控制方案及控制算法的确定（5）计算机仿真与过程培训系统 （6）设计工业过程的故障检测与诊断系统 12湖北大学化学化工学院 杨世芳2.2.2机理建模机理建模 根据对象或生产过程的内部机理，列写出各种有关的平衡方程，如物料平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、相平衡方程以及某些物性方程、设备的特性方程、化学反应定律、电路基本定律等，从而获取对象（或过程）的数学模型，这类模型通常称为机理模型。13湖北大学化学化工学院 杨世芳对于某些对象，人们还难以写出它们的数学表达式，或者表达式中的某些系数还

9、难以确定时，不能适用。具有非常明确的物理意义，所得的模型具有很大的适应性，便于对模型参数进行调整。优点优点缺点缺点14湖北大学化学化工学院 杨世芳举例举例(1).(1).一阶对象一阶对象（A）水槽对象）水槽对象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依据15湖北大学化学化工学院 杨世芳（2-4）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（2-5）将上式代入（2-4）式，移项令令则则图2-2 水槽对象16湖北大学化学化工学院 杨世芳（B）RC电路电路ei若取为输入参数，eo为输出参数，根

10、据基尔霍夫定理 消去消去i i由于由于或或图2-3 RC电路17湖北大学化学化工学院 杨世芳(2).(2).积分对象积分对象当对象的输出参数与输入参数对时间的积分成比例关系时，当对象的输出参数与输入参数对时间的积分成比例关系时，称为积分对象。称为积分对象。Q2为常数，变化量为0说明，所示贮槽具有积分特性。其中，A为贮槽横截面积图2-4 积分对象18湖北大学化学化工学院 杨世芳(3).(3).二阶对象二阶对象（A）串联水槽对象）串联水槽对象假定输入、输出量变化很小的情况下，贮槽的液位与输出流量具有线性关系。假定每只贮槽的截面积都为A，则图2-5 串联水槽对象19湖北大学化学化工学院 杨世芳消去消

11、去Q Q1212、Q Q2 2、h h1 1整理得式中 为第一只贮槽的时间常数；为第二只贮槽的时间常数；为整个对象的放大系数。20湖北大学化学化工学院 杨世芳（B B）RC串联电路串联电路根据基尔霍夫定律根据基尔霍夫定律整理得整理得图2-6 RC串联电路21湖北大学化学化工学院 杨世芳2.2.3实验建模实验建模 对象特性的实验测取法，就是在所要研究的对象上，加上一个人为的输入作用（输入量），然后，用仪表测取并记录表征对象特性的物理量（输出量）随时间变化的规律，得到一系列实验数据（或曲线）。这些数据或曲线就可以用来表示对象的特性。实验方法实验方法研究对象特性研究对象特性22湖北大学化学化工学院

12、杨世芳定定义义：通过这种应用对象的输入输出的实测数据来决定其模型的结构和参数。特特点点：把被研究的对象视为一个黑匣子，完全从外部特性上来测试和描述它的动态特性，不需要深入了解其内部机理。系统辨识系统辨识23湖北大学化学化工学院 杨世芳实验性能的测试方法实验性能的测试方法(1).阶跃反应曲线法阶跃反应曲线法用实验的方法测取对象在阶跃输入作用下，输出量y随时间的变化规律。图2-7 简单水槽对象图2-8 水槽的阶跃反应曲线优点优点简单缺点缺点稳定时间长测试精度受限简单水槽的动态特性简单水槽的动态特性举例举例24湖北大学化学化工学院 杨世芳(2).矩形脉冲法矩形脉冲法 当对象处于稳定工况下，在时间t0

13、突然加一阶跃干扰，幅值为A，到t1时突然除去阶跃干扰，这时测得的输出量y随时间的变化规律，称为对象的矩形脉冲特性，而这种形式的干扰称为矩形脉冲干扰。此外，还可以采用矩形脉冲波和正弦信号。图2-9 矩形脉冲特性曲线 图2-10 矩形脉冲波信号图2-11 正弦信号25湖北大学化学化工学院 杨世芳n混合建模混合建模 先由机理分析的方法提供数学模型的结构形式，然后对其中某些未知的或不确定的参数利用实测的方法给予确定。这种在已知模型结构的基础上，通过实测数据来确定其中的某些参数，称为参数估计。举例举例 以换热器建模为例，可以先列写出其热量平衡方程式，而其中的换热系数K值等可以通过实测的试验数据来确定。途

14、径26湖北大学化学化工学院 杨世芳指对象受到阶跃输入作用后，被控变量新的稳定值与所加的输入量之比。如：简单水槽对象（1）控制通道放大倍数K0定义：K0为被控变量变化量y与操纵变量的变化量q在时间趋于无穷大时之比2.3 描述对象特性的参数描述对象特性的参数2.3.1放大系数放大系数K图2-12j简单水槽对象相应曲线27湖北大学化学化工学院 杨世芳意义：反映了对象以与原有稳定状态为基准的被控变量与操纵变量在过程终了时的变化量之间的关系。即相当于操纵变量经过对象后被放大了K0倍。K0的大小对控制系统的影响：(a)K0值越大表示控制作用越强(b)若工艺上允许有几种控制手段供选择，应选择K0值大些。举例

15、举例图2-13图2-1428湖北大学化学化工学院 杨世芳 (b)K0值变化越大系统的不稳定性 由于整个系统的放大倍数K是对象的放大倍数和控制器、控制阀放大倍数的乘积 要求K稳定，才能获得满意的控制过程。常规控制器整定后Kp为常数，线性控制阀Kv也为常数，K0的变化影响K的变化：K0y变化迟缓，K0y振荡加剧。29湖北大学化学化工学院 杨世芳（2）干扰通道放大倍数Kf定义：Kf为在操纵变量不变的情况下，对象受到幅度为f的阶跃干扰作用后，被控变量从原有稳定状态达到新的稳定状态的变化量y()与干扰幅度f之比。影响：假设没有控制作用，对象受到干扰f作用后，被控变量的最大偏差值就是Kf f,因此在相同f

16、下，Kf，y偏离给定值的程度，反映了干扰对被控变量影响灵敏程度。如一个系统有几个干扰，则Kf f大，出现较多的干扰就是主要干扰，克服主要干扰系统的额稳定性。如在蒸汽加热器中，蒸汽压力波动时物料出口温度影响最大，若对蒸汽阀前压力加以控制，则能减少干扰对y的影响。K0,Kf仅与控制过程的起点、终点有关而与变化过程无关。它们代表了对象的静态性能。30湖北大学化学化工学院 杨世芳2.3.2时间常数时间常数T28 从大量的生产实践中发现，有的对象受到干扰后，被控变量变化很快，较迅速地达到了稳定值；有的对象在受到干扰后，惯性很大，被控变量要经过很长时间才能达到新的稳态值。图2-15 不同时间常数对象的反应

17、曲线31湖北大学化学化工学院 杨世芳如何定量地表示对象受如何定量地表示对象受干扰后的这种特性呢？干扰后的这种特性呢？在自动化领域中，往往用时间常数T来表示。时间常数越大，表示对象受到干扰作用后，被控变量变化得越慢，到达新的稳定值所需的时间越长。2932湖北大学化学化工学院 杨世芳30举例举例简单水槽为例由前面的推导可知假定Q1为阶跃作用，t0或t=0时Q1=A，如左图。则函数表达式为（2-33）图2-16 反应曲线33湖北大学化学化工学院 杨世芳 从上页图反应曲线可以看出，对象受到阶跃作用后，被控变量就发生变化，当t时，被控变量不再变化而达到了新的稳态值h（），这时上式可得：或或 对于简单水槽

18、对象，K=RS，即放大系数只与出水阀的阻力有关，当阀的开度一定时，放大系数就是一个常数。（2-34）34湖北大学化学化工学院 杨世芳将将 t=T 代入式（代入式（2-33），得），得（2-35）将式（将式（2-34）代入式（）代入式（2-35），得），得（2-36）当当对对象象受受到到阶阶跃跃输输入入后后，被被控控变变量量达达到到新新的的稳稳态态值值的的63.263.2所所需需的的时时间间，就就是是时时间间常常数数T，实实际际工工作作中中，常常用用这这种种方方法法求求取取时时间间常常数数。显显然然，时时间间常常数数越越大大，被被控控变变量量的的变化也越慢，达到新的稳定值所需的时间也越大。变化也

19、越慢，达到新的稳定值所需的时间也越大。35湖北大学化学化工学院 杨世芳图2-17 不同时间常数下的反应曲线T1T2T3T4 说明说明时间常数大的对象（如时间常数大的对象（如T4)对输入的反应较慢，对输入的反应较慢，一般认为惯性较大。一般认为惯性较大。T对控制过程的影响：控制通道：在相同的操纵变量下，对象的T较大，则y变化比较和缓，控制不及时，最大偏差增大，过渡时间延长。T较小则情况相反，若T太小则y响应速度过快，容易引起振荡。所以T应适中。干扰通道：时间常数大，干扰作用迟缓，对y的影响比较和缓，比较容易控制。可见控制通道T适中、干扰通道T偏大有利于控制系统的稳定。36湖北大学化学化工学院 杨世

20、芳在输入作用加入的瞬间，液位h的变化速度是多大呢？将式（将式（2-332-33）对）对 t 求导，得求导，得（2-37）当当 t =0（2-38）当当 t 时，式（时，式（2-37）可得）可得（2-39）37湖北大学化学化工学院 杨世芳图2-18 时间常数T的求法 由由左左下下图图所所示示，式式（2-38）代代表表了了曲曲线线在在起起始始点点时时切切线线的的斜斜率率，这这条条切切线线在在新新的的稳稳定定值值h（）上上截截得得的的一一段段时时间间正正好好等于等于T。由式（2-33），当 t=时，h=KA。当 t=3T时，代入式（2-33）得（2-40）从加入输入作用后，经过3T时间，液位已经变化

21、了全部变化范围的95，这时，可以近似地认为动态过程基本结束。所以，时间常数T是表示在输入作用下，被控变量完成其变化过程所需要的时间的一个重要参数。结论38湖北大学化学化工学院 杨世芳T值的物理意义：值的物理意义：对象的时间常数就是对象的容量系数与阻力系数的乘积即：T=CR 式中：C容量系数、R阻力系数。容量系数C：表征对象储存物料或能量的能力V引起y变化时，在对象中所增加或减少的物料或能量。（即y变化引起的容量变化）例如水槽对象：水槽对象的容量系数就是它的横截面积A阻力系数R：任何对象在物料或能量的传递过程中总存在一定的阻力如热阻：使热量增加一个单位，温差应该是多少再如液阻：使流出量增加一个单

22、位，液位应该是多少39湖北大学化学化工学院 杨世芳2.3.3 滞后时间滞后时间定义分类 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。滞后性质传递滞后容量滞后 传递滞后又叫纯滞后，一般用0表示。0的产生一般是由于介质的输送需要一段时间而引起的。对象在受到阶跃输入作用x后，被控变量y开始变化很慢，后来才逐渐加快，最后又变慢直至逐渐接近稳定值。40湖北大学化学化工学院 杨世芳（1 1）.传递滞后传递滞后显显然然，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：（2-41）溶解槽及其反应曲线纯滞后时间举例举例图2-1941湖北大学化学化工学院 杨世芳从测量方

23、面来说，由于测量点选择不当、测量元件安装不合适等原因也会造成传递滞后。蒸汽直接加热器 当加热蒸汽量增大时，槽内温度升高，然而槽内溶液流到管道测温点处还要经过一段时间0。所以，相对于蒸汽流量变化的时刻，实际测得的溶液温度T要经过时间0后才开始变化。注注意意：安装成分分析仪器时，取样管线太长，取样点安装离设备太远，都会引起较大的纯滞后时间，工作中要尽量避免。图2-2042湖北大学化学化工学院 杨世芳39图2-21 有、无纯滞后的一阶阶跃响应曲线x为输入量，y（t）、y（t）分别为无、有纯滞后时的输出量时 或或若无纯滞后的对象特性可以用下述方程式描述（2-44）则有纯滞后的对象特性可以用下述方程式描

24、述（2-45）43湖北大学化学化工学院 杨世芳一般是由于物料或能量的传递需要通过一定阻力而引起的。举例前面介绍过的两个水槽串联的二阶对象将输出量h2用y表示，输入量Q1用x表示，则方程式可写为假定输入作用为阶跃函数，其幅值为A。已知，二阶常系数微分方程式的解是（2-46）（2-47）（2 2）.容量滞后容量滞后44湖北大学化学化工学院 杨世芳由于对应的齐次方程式为其特征方程为求得特征根为故齐次方程式的通解为式中，C1、C2为决定于初始条件的待定系数。（2-48）（2-49）（2-50）45湖北大学化学化工学院 杨世芳式（2-46）的一个特解可以认为是稳定解，由于输入xA，稳定时将式（2-51）

25、及式（2-50）代入式（2-47）可得用初始条件y(0)=0，y(0)=0代入式（2-52）可分别解得图2-22 具有容量滞后对象的反应曲线（2-51）（2-52）（2-53）（2-54）46湖北大学化学化工学院 杨世芳将上述两式代入式（2-52），可得 上式便是串联水槽对象的阶跃反应函数。由此式可知，在t=0时y（t）=0；在t=时，y（t）KA。y（t）是稳态值KA与两项衰减指数函数的代数和。说明：输入量在作阶跃变化的瞬间，输出量变化的速度等于零，以后随着t的增加，变化速度慢慢增大，但当t大于某一个t1值后，变化速度又慢慢减小，直至t时，变化速度减少为零。（2-55）47湖北大学化学化工学院 杨世芳图2-23 串联水槽的反应曲线容量滞后时间T二阶对象近似为是有滞后时间h，时间常数为T的一阶对象用一阶对象的特性（是有滞后）来近似上述二阶对象的方法用一阶对象的特性（是有滞后）来近似上述二阶对象的方法 48湖北大学化学化工学院 杨世芳图2-24 滞后时间示意图 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0h。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。结论49湖北大学化学化工学院 杨世芳本章作业本章作业P32：1，P33：13，1450