過程控制第2章課件1

1、第一節(jié) 過程建模基本概念： 被控過程：指正在運行中的多種多樣的被控制的生產(chǎn)工藝設(shè)備2過沖控制系統(tǒng)的品質(zhì)是由組成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)及其特性所決定。被控過程的數(shù)學(xué)模型：指過程在各輸入量作用下，其相應(yīng)輸出量變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式。過程的數(shù)學(xué)模型分類：1、非參數(shù)模型：階躍響應(yīng)曲線、脈沖響應(yīng)曲線、頻率特性曲線，即都是用曲線表示2、參數(shù)模型：微分方程、傳遞函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)、狀態(tài)方程、差分方程等，即都是用數(shù)學(xué)方程式和函數(shù)表示2被控過程分為：1、多輸入、單輸出2、多輸入、多輸出單回路控制系統(tǒng)框圖如圖:2過程通道：控制通道：擾動通道：被控過程輸入量與輸出量之間的信號聯(lián)系控制作用與被控量之間的信號擾動作用與

2、被控量之間的信號聯(lián)系2被控過程的特點：1、被控量的變化往往是不震蕩、單調(diào)的、有滯后和慣性的。如圖： 過程的階躍響應(yīng)曲線 a)22、有的過程響應(yīng)也可能不斷變化 如圖： 過程的階躍響應(yīng)曲 b)2自衡過程：前者過程具有自平衡能力無自衡過程：后者過程無自平衡能力過程建模的目的:1、設(shè)計過程控制系統(tǒng)和整定調(diào)節(jié)器參數(shù)2、指導(dǎo)設(shè)計生產(chǎn)工藝設(shè)備3、進行仿真試驗研究4、培訓(xùn)運行操作人員2建立過程數(shù)學(xué)模型的基本方法： 一、有機理分析法 二、試驗法有機理分析法建模又稱為分析發(fā)建?；蚶碚摻＃m應(yīng)于簡單的被控過程建模。機理建模的依據(jù)： 是根據(jù)過程的內(nèi)部機理，運用一些已知的定律、原理建立過程的數(shù)學(xué)模型機理分析法建模的特

3、點： 當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備還處于設(shè)計階段時就能建立其數(shù)學(xué)模型。 2被控過程的自平衡能力和無自平衡能力自平衡能力： 過程在輸入量作用下，平衡狀態(tài)被破壞后，無須人或儀器的干擾，依靠過程自身能力，逐漸恢復(fù)達到另一新的平衡狀態(tài)，此特性稱為自平衡能力無自平衡能力： 被控過程在輸入量作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，沒有人或儀器的干預(yù)，依靠過程自身能力，最后不能恢復(fù)其平衡狀態(tài)，此特性稱為無自平衡能力。 2自衡過程建模1、單容過程：自衡單容過程是指只有一個儲蓄容量的又具有平衡能力的過程2222、多容過程：在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控過程往往由多個容積和阻力構(gòu)成 222222、滯后過程：在工業(yè)生產(chǎn)過程中，過程的純滯后問題是經(jīng)常遇到

4、的。 2222、非自衡過程建模單容過程 22多容過程 22滯后過程 23、試驗法建模（過程辨識）實驗法建模： 是在實際的生產(chǎn)過程中，根據(jù)過程輸入、輸出的實驗數(shù)據(jù)，即通過過程辨識與參數(shù)估計的方法建立被控過程的數(shù)學(xué)模型。實驗法分類： 加專門信號、不加專門信號 。加專門信號： 是在試驗過程中改變所研究的過程輸入量，對其輸出量進行數(shù)據(jù)處理就可以求得過程的數(shù)學(xué)模型。不加專門信號： 即利用過程在正常操作時所記錄的信號，進行統(tǒng)計分析來求得過程的數(shù)學(xué)模型。22常用的響應(yīng)曲線法來辨識過程的數(shù)學(xué)模型一、階躍響應(yīng)應(yīng)曲線法階躍響應(yīng)應(yīng)曲線法：測定階躍響應(yīng)應(yīng)曲線的原理很簡單，在被控過程的輸入量作階躍變化時，測定其輸出量隨

5、時間而變化的曲線試驗注意事項： 1、合理選擇階躍信號值； 2、在輸入信號前，被控過程必須處于相對穩(wěn)定的運行狀態(tài)； 3、試驗時應(yīng)在相同的試驗條件下重復(fù)做幾次測試，需獲得兩次以上比較 接近的測試數(shù)據(jù)，以減少干擾的影響；4、在試驗時應(yīng)在階躍信號做正、反方向變化時分別側(cè)取其響應(yīng)曲線，求 其過程的真實特性。2響應(yīng)曲線2二、矩形脈沖響應(yīng)曲線法矩形脈沖響應(yīng)曲線法：當(dāng)過程長時間處于較大擾動信號作用下時，被控量的變化幅度可能超出實際生產(chǎn)所允許的范圍，它的過渡過程與終值均偏離正常操作條件，會影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，這時就可以用矩形脈沖信號作為過程的輸入信號，測出過程的矩形脈沖響應(yīng)曲線。2矩形脈沖響應(yīng)曲線及其轉(zhuǎn)換2矩

6、形脈沖響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成階躍響應(yīng)曲線方法： 2三、由階躍響應(yīng)曲線確定過程的傳遞函數(shù)由階躍響應(yīng)曲線確定過程的數(shù)學(xué)模型，首先要根據(jù)曲線的形狀，選定模型的結(jié)構(gòu)。只要能由階躍響應(yīng)曲線求得放大系數(shù)K0、時間常熟T0、以及滯后時間，則過程的數(shù)學(xué)模型就可以求得了。21、由階躍響應(yīng)曲線確定一階環(huán)節(jié)的特性參數(shù) 22222、由階躍響應(yīng)曲線確定一階加滯后環(huán)節(jié)的特性參數(shù) 222222222222四、最小二乘法建模最小二乘法：是介紹一種過程離散時間模型的建模方法；即根據(jù)過程的輸入、輸出實驗數(shù)據(jù)來推算出結(jié)構(gòu)模型中的參數(shù)值，它是其中簡單而實用的方法之一。過程建模或者系統(tǒng)建模的任務(wù)：1、是確定模型的結(jié)構(gòu)2、是確定模型結(jié)構(gòu)中的參數(shù)值2最小二乘法的目標：在獲得過程或系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)后，求得最佳的參數(shù)值，以使系統(tǒng)方程在最小方差意義上與輸入輸出數(shù)據(jù)相符合，采用實際觀察值代表模型的輸出。 一、最小二乘法參數(shù)估計原理2222二、過程數(shù)學(xué)模型階次n的確定擬合度檢驗法：確定擬合度檢驗法是一種應(yīng)用較多的以模型合質(zhì)量來估計其階次的方法；這種方法是通過比較不同階次的模型輸出與觀察輸出的擬合質(zhì)量好壞來確定模型階次的。2具體做法：