過程動(dòng)態(tài)特性建模與分析.ppt

過程動(dòng)態(tài)特性建模與分析 考核說明 基本原則 平時(shí)成績60 期末考試40 平時(shí)成績包括以下部分 課堂提問與課堂測試 25 用以檢驗(yàn)學(xué)生預(yù)習(xí) 復(fù)習(xí)情況 學(xué)生講課與研討課表現(xiàn) 15 以小組為單位 針對某些控制問題提出控制方案 由教師隨機(jī)選擇某組員進(jìn)行講解 其他同學(xué)參與討論 并評分 平時(shí)作業(yè)與仿真報(bào)告 20 概要 過程特性分類簡單被控過程的機(jī)理建模方法調(diào)節(jié)閥的選擇原則廣義對象的概念測試法建模 一般的反饋控制系統(tǒng) 被控過程動(dòng)態(tài)特性的重要性 不同的被控過程具有不同的特性很難改變被控過程 很容易改變控制器控制工程師能做的就是調(diào)整控制器使其適合被控過程對于某一被控過程 最適合其特性的控制器是最好的控制器 被控過程的分類 自衡過程 穩(wěn)定對象 1 純滯后過程 2 單容過程 3 多容過程非自衡過程例如 某些液位對象與某些放熱反應(yīng)器 被控過程舉例 1 被控過程舉例 2 被控過程舉例 3 該被控過程是否穩(wěn)定 為什么 被控過程舉例 4 被控對象動(dòng)態(tài)建模方法 機(jī)理建模原理 根據(jù)過程的工藝機(jī)理 寫出各種有關(guān)的平衡方程 如物料平衡 能量平衡等 以及反映流體流動(dòng) 傳熱 傳質(zhì)等基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程 由此獲得被控對象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 特點(diǎn) 概念明確 適用范圍寬 要求對該過程機(jī)理明確 測試建模原理 對過程的輸入 包括控制變量與擾動(dòng)變量 施加一定形式的激勵(lì)信號 如階躍 脈沖信號等 同時(shí)記錄相關(guān)的輸入輸出數(shù)據(jù) 再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 由此獲得對象的動(dòng)態(tài)模型 特點(diǎn) 無需深入了解過程機(jī)理 但適用范圍小 模型準(zhǔn)確性有限 機(jī)理建模的步驟 根據(jù)建模的對象和模型使用的目的進(jìn)行合理的假設(shè) 根據(jù)過程的內(nèi)在機(jī)理建立數(shù)學(xué)方程 進(jìn)行自由度分析 保證模型有解 簡化模型 物料平衡方程 問題討論 如何采用simulink建立被控過程的仿真模型并設(shè)置初始運(yùn)行狀態(tài) 出口流量與液位的關(guān)系 建模舉例 1 建模舉例 1 建模舉例 1 物料平衡方程 流體運(yùn)動(dòng)方程 建模舉例 1 線性化 一階過程的描述 一階過程通常的描述方式為 過程增益k 時(shí)間常數(shù)t 一階過程的仿真 無振蕩的自衡過程 k反映了輸出變化的幅度 一階過程的仿真 續(xù) 時(shí)間常數(shù)t反映了輸出變化的快慢 建模舉例 2 物料平衡方程 流體運(yùn)動(dòng)方程 建模舉例 2 物料平衡方程 流體運(yùn)動(dòng)方程 二階過程仿真 無振蕩的自衡過程 串聯(lián)系統(tǒng) 一階對象的串聯(lián)系統(tǒng) 課堂練習(xí)2 一階和滯后過程 課堂練習(xí)3 課堂練習(xí)3 仿真結(jié)果 工業(yè)過程控制對象的特點(diǎn) 除液位對象外的大多數(shù)被控對象本身是穩(wěn)定自衡對象 對象動(dòng)態(tài)特性存在不同程度的純遲延 對象的階躍響應(yīng)通常為單調(diào)曲線 除流量對象外的被調(diào)量的變化相對緩慢 被控對象往往具有非線性 不確定性與時(shí)變等特性 換熱器溫度控制系統(tǒng) 過程描述與信號流程圖 溫度控制系統(tǒng)的信號流程圖 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu) u t 控制器輸出 4 20ma或0 10madc pc 調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)控制信號 20 100kpa l 閥桿相對位置 f 相對流通面積 q 受調(diào)節(jié)閥影響的管路相對流量 閥門的 氣開 與 氣關(guān) 1 氣開閥與氣關(guān)閥 氣開閥 pc f 有氣則開 氣關(guān)閥 pc f 有氣則關(guān) 無氣源 pc 0 時(shí) 氣開閥全關(guān) 氣關(guān)閥全開 2 氣開 氣關(guān)的選擇原則 安全性 若無氣源時(shí) 希望閥全關(guān) 則應(yīng)選擇氣開閥 如加熱爐瓦斯氣調(diào)節(jié)閥 若無氣源時(shí) 希望閥全開 則應(yīng)選擇氣關(guān)閥 如加熱爐進(jìn)風(fēng)蝶閥 調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)選擇 調(diào)節(jié)閥的理想流量特性 調(diào)節(jié)閥理想流量特性 通過控制閥的流量和閥門開度之間的函數(shù)關(guān)系 f為相對流量 l為相對開度 線性閥 1 等百分比閥或稱對數(shù)閥 2 閥阻比s100 調(diào)節(jié)閥全開時(shí)的兩端壓降與系統(tǒng)總壓降之比 即 調(diào)節(jié)閥工作流量特性 調(diào)節(jié)閥工作流量特性 續(xù) 線性閥的特性變異 對數(shù)閥的特性變異 調(diào)節(jié)閥流量特性總結(jié) 線性閥 在理想情況下 調(diào)節(jié)閥的放大增益kv與閥門開度無關(guān) 而隨著管路系統(tǒng)閥阻比的減少 當(dāng)開度到達(dá)50 70 時(shí) 流量已接近其全開時(shí)的數(shù)值 即kv隨著開度的增大而顯著下降 對數(shù)閥 在理想情況下 調(diào)節(jié)閥的放大增益kv隨著閥門開度的增大而增加 而隨著管路系統(tǒng)閥阻比的減少 kv漸近于常數(shù) 調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇 選擇原則 僅當(dāng)對象特性近似線性而且閥阻比大于0 60以上 即調(diào)節(jié)閥兩端的壓差基本不變 才選擇線性閥 如液位控制系統(tǒng) 其他情況大都應(yīng)選擇對數(shù)閥 廣義對象 的概念 特點(diǎn) 1 使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析簡化 2 廣義對象的輸入輸出通?？蓽y量 以便于測試其動(dòng)態(tài)特性 3 只關(guān)心某些特定的輸入輸出變量 廣義對象的描述 可用一階加純滯后模型來描述廣義對象 過程增益的計(jì)算 過程增益計(jì)算舉例 1 過程增益計(jì)算舉例 2 過程增益計(jì)算舉例 3 過程增益?zhèn)渥?過程增益描述了穩(wěn)態(tài)條件下 過程輸出對輸入變量變化的靈敏度 被控過程增益包括三部分 符號 數(shù)值與單位 過程增益只涉及兩個(gè)穩(wěn)態(tài) 因此說過程增益反映了被控過程的靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)特性 有時(shí) 也稱 靜態(tài) 穩(wěn)態(tài)增益 過程的時(shí)間常數(shù) 基本定義對單容過程而言 過程一階時(shí)間常數(shù)定義為過程輸出開始變化至達(dá)到全部變化的63 2 所需的時(shí)間 過程的時(shí)間滯后 基本定義過程純滯后時(shí)間定義為過程輸入施加激勵(lì)至過程輸出開始變化所需的時(shí)間 關(guān)于過程特性參數(shù)k t 這三個(gè)參數(shù)的取值描述了一個(gè)實(shí)際被控過程的基本特性 其中k反映靜態(tài)特性 而t 反映了過程的動(dòng)態(tài)特性 由于絕大多數(shù)工業(yè)過程為非線性對象 即使對于同一被控過程 上述參數(shù)也將隨工況的變化而變化 對象兩時(shí)間參數(shù)的比值 t 直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的可控性 t越大 控制難度越大 被控對象動(dòng)態(tài)建模方法 機(jī)理建模原理 根據(jù)過程的工藝機(jī)理 寫出各種有關(guān)的平衡方程 如物料平衡 能量平衡等 以及反映流體流動(dòng) 傳熱 傳質(zhì)等基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程 由此獲得被控對象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 特點(diǎn) 概念明確 適用范圍寬 要求對該過程機(jī)理明確 測試建模原理 對過程的輸入 包括控制變量與擾動(dòng)變量 施加一定形式的激勵(lì)信號 如階躍 脈沖信號等 同時(shí)記錄相關(guān)的輸入輸出數(shù)據(jù) 再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 由此獲得對象的動(dòng)態(tài)模型 特點(diǎn) 無需深入了解過程機(jī)理 但適用范圍小 模型準(zhǔn)確性有限 對象特性的階躍響應(yīng)測試法 借助于階躍響應(yīng)試驗(yàn) 獲取過程輸入輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù) 1 將控制器改為 手動(dòng) 操作模式 2 以階躍方式 改變控制器輸出 3 記錄控制器輸出與變送器輸出響應(yīng)數(shù)據(jù) 基于過程測試數(shù)據(jù) 估計(jì)廣義對象的特性參數(shù) 階躍響應(yīng)測試法1 對象的近似模型 對應(yīng)參數(shù)見左圖 而增益為 階躍響應(yīng)測試法2 廣義對象矩形脈沖響應(yīng)測試法 是矩形脈沖的寬度 結(jié)論 介紹了簡單被控過程的機(jī)理建模方法與線性化問題 討論了調(diào)節(jié)閥 氣開 氣關(guān) 形式與流量特性的選擇原則 講述了 廣義對象 的概念及其動(dòng)態(tài)特性的典型測試方法 下一講預(yù)習(xí)討論題 反饋控制器正反