过程动态特性与建模课件.ppt

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1、过程动态特性与建模第1页，此课件共31页哦内容回顾n控制系统的设计目的控制系统的设计目的n单回路控制系统的组成、方块图描述法以及单回路控制系统的组成、方块图描述法以及广义对象的物理意义广义对象的物理意义第2页，此课件共31页哦n了解典型工业过程的动态特性类型；了解典型工业过程的动态特性类型；n掌握简单被控过程的机理建模方法；掌握简单被控过程的机理建模方法；n掌握掌握“广义对象广义对象”概念及其动态特性的典型概念及其动态特性的典型测试方法（工程建模）。测试方法（工程建模）。l 重点：重点：本章基本要求第3页，此课件共31页哦单回路控制系统组成第4页，此课件共31页哦“广义对象”的概念第5页，此课

2、件共31页哦“广义对象”的特点特点：（特点：（1）使控制系统的设计与分析简化；）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，）广义对象的输入输出通常可测量，以便于测试其动态特性；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。）只关心某些特定的输入输出变量。第6页，此课件共31页哦“广义对象”的数学模型控制通道的传递函数控制通道的传递函数扰动通道的传递函数扰动通道的传递函数第7页，此课件共31页哦控制通道的增益对控制品质的影响1.1.KKo o增加时，余差减小，最大偏差减小，控制作增加时，余差减小，最大偏差减小，控制作用增强。用增强。2.2.KKo o增加时，系统

3、稳定性变差。增加时，系统稳定性变差。3.3.KKo o是稳态特性，应在不同负荷、不同工作点保是稳态特性，应在不同负荷、不同工作点保持恒定。持恒定。4.4.控制系统稳定的前提是控制系统稳定的前提是KKo o Kc Kc的乘积保持恒定。的乘积保持恒定。5.5.选择操纵变量时，应使选择操纵变量时，应使KKo o大、稳。大、稳。第8页，此课件共31页哦扰动通道的增益对控制品质的影响1.1.KKf f常与干扰幅值常与干扰幅值F F的乘积一起考虑。的乘积一起考虑。2.2.KKf fF F的值大，则干扰对控制系统的影响也大。的值大，则干扰对控制系统的影响也大。3.3.可通过增加前馈控制来减小或消除扰动的影响

4、。可通过增加前馈控制来减小或消除扰动的影响。第9页，此课件共31页哦控制通道的时间常数对控制品质的影响1.1.常采用常采用 与时间常数与时间常数 之比来判别。之比来判别。2.2.当当 比值固定比值固定,影响系统响应的快慢。影响系统响应的快慢。第10页，此课件共31页哦扰动通道的时间常数对控制品质的影响1.1.大，则扰动对输出的影响慢，有利于克服大，则扰动对输出的影响慢，有利于克服扰动的影响。扰动的影响。第11页，此课件共31页哦控制通道时滞的影响控制通道时滞的影响n n当检测变送环节存在时滞时，被控变量的变化不能当检测变送环节存在时滞时，被控变量的变化不能及时传送到控制器；当被控对象存在时滞时

5、，控制作及时传送到控制器；当被控对象存在时滞时，控制作用不能及时使被控变量变化；当执行器存在时滞时，用不能及时使被控变量变化；当执行器存在时滞时，控制器的信号不能及时引起操纵变量的变化。因此，控制器的信号不能及时引起操纵变量的变化。因此，开环传递函数存在时滞，使控制不及时，超调增大，开环传递函数存在时滞，使控制不及时，超调增大，并引起系统不稳定并引起系统不稳定。第12页，此课件共31页哦用用用用 o o/T To o反映时滞的相对影响。通常，反映时滞的相对影响。通常，反映时滞的相对影响。通常，反映时滞的相对影响。通常，o o/T To o0.30.3时，系统尚可用简单控制系统进行控制，时，系统

6、尚可用简单控制系统进行控制，时，系统尚可用简单控制系统进行控制，时，系统尚可用简单控制系统进行控制，当当当当 o o/T To o0.50.5时，应采用其他控制方案对该类过程时，应采用其他控制方案对该类过程时，应采用其他控制方案对该类过程时，应采用其他控制方案对该类过程进行控制。因此，在设计和应用时应尽量减小时滞，进行控制。因此，在设计和应用时应尽量减小时滞，进行控制。因此，在设计和应用时应尽量减小时滞，进行控制。因此，在设计和应用时应尽量减小时滞，有时可增大时间常数以减小有时可增大时间常数以减小有时可增大时间常数以减小有时可增大时间常数以减小 o o/T To o。控制通道时滞的影响控制通道

7、时滞的影响第13页，此课件共31页哦时滞时滞f的存在不影响系统闭环极点的分布，的存在不影响系统闭环极点的分布，因此，不影响系统稳定性。它仅表示扰动因此，不影响系统稳定性。它仅表示扰动进入系统的时间先后，即不影响控制系统进入系统的时间先后，即不影响控制系统控制品质。控制品质。扰动通道时滞的影响扰动通道时滞的影响第14页，此课件共31页哦 深入了解工艺过程，选择能够反映工艺过深入了解工艺过程，选择能够反映工艺过程的被控变量；尽量选用易于测量且关系简单程的被控变量；尽量选用易于测量且关系简单的直接质量指标作为被控变量；的直接质量指标作为被控变量；被控变量的选择原则被控变量的选择原则第15页，此课件共

8、31页哦n n选择对被控变量影响较大的操纵变量，即选择对被控变量影响较大的操纵变量，即选择对被控变量影响较大的操纵变量，即选择对被控变量影响较大的操纵变量，即KKo o尽量大；尽量大；尽量大；尽量大；n n选择对被控变量有较快响应的操纵变量，即过程的选择对被控变量有较快响应的操纵变量，即过程的选择对被控变量有较快响应的操纵变量，即过程的选择对被控变量有较快响应的操纵变量，即过程的 o o/T To o应尽量小；应尽量小；应尽量小；应尽量小；n n过程的过程的过程的过程的T To o/T Tf f 应尽量小；应尽量小；应尽量小；应尽量小；n n使过程的使过程的使过程的使过程的KKf fF F尽量

9、小；尽量小；尽量小；尽量小；n n工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合。工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合。工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合。工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合。操纵变量的选择原则第16页，此课件共31页哦被控对象动态建模方法 -机理建模机理建模原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡原理：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。被控对象的动态数学模型。特

10、点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。确。第17页，此课件共31页哦原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动原理：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、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，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，由此获得对象的动再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。态模型。特点：无需深入了解过程机理，但适用范围特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。小，模型准确性有限。被控对象动态建模方法 -测试建模（工

11、程建模）第18页，此课件共31页哦对象机理建模举例1有自衡过程物料平衡方程物料平衡方程：流体运动方程流体运动方程：第19页，此课件共31页哦对象机理建模举例2多容对象 物料平衡方程物料平衡方程：流体运动方程流体运动方程：第20页，此课件共31页哦机理建模举例3非自衡过程物料平衡方程：第21页，此课件共31页哦“广义对象”的测试建模第22页，此课件共31页哦“广义对象”动态特性的阶跃响应测试法典型自衡工业对象典型自衡工业对象的阶跃响应的阶跃响应 对象的近似模型对象的近似模型：增益为：增益为：ymin,ymax为为CV的测量范围；的测量范围；umin,umax为为MV的变化范围，对于阀位开度的变化

12、范围，对于阀位开度通常用通常用0100%表示。表示。第23页，此课件共31页哦“广义对象”动态特性的矩形脉冲响应测试法第24页，此课件共31页哦过程控制广义对象动态特性分类n自衡过程（自衡过程（Self-Regulating Processes）(1)无振荡的自衡过程无振荡的自衡过程(2)有振荡的自衡过程有振荡的自衡过程n非自衡过程（非自衡过程（Non-Self-Regulating Processes）(1)无振荡的非自衡过程无振荡的非自衡过程(2)有振荡的非自衡过程有振荡的非自衡过程(3)具有反向特性的非自衡过程具有反向特性的非自衡过程第25页，此课件共31页哦无振荡自衡过程模型第26页，

13、此课件共31页哦无振荡非自衡过程模型第27页，此课件共31页哦具有反向特性的非自衡过程模型第28页，此课件共31页哦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除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象；衡对象；n对象动态特性存在不同程度的纯迟延；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；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。被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。第29页，此课件共31页哦本章小结本章小结1、工业过程的动态特性类型：、工业过程的动态特性类型：自衡过程自衡过程(1)无振荡的自衡过程无振荡的自衡过程(2)有振荡的自衡过程有振荡的自衡过程非自衡过程非自衡过程(1)无振荡的非自衡过程无振荡的非自衡过程(2)有振荡的非自衡过程有振荡的非自衡过程(3)具有反向特性的非自衡过程具有反向特性的非自衡过程 除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象；对象；第30页，此课件共31页哦2、简单被控过程的建模方法：、简单被控过程的建模方法：（1）机理法建模）机理法建模（2）测试法建模）测试法建模本章小结本章小结第31页，此课件共31页哦