化工儀表及自動(dòng)化：chap12 被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性

1、第十二章 被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性 第一節(jié) 對(duì)象特性及描述方法 第二節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)第一節(jié) 對(duì)象特性及描述方法 一、對(duì)象特性 二、對(duì)象特性的描述方法一、對(duì)象特性被控對(duì)象 被控制的（需要控制的）工藝生產(chǎn)設(shè)備。 流體輸送設(shè)備：泵、壓縮機(jī)；傳熱設(shè)備：換熱器、加熱爐、鍋爐；傳質(zhì)設(shè)備：精餾塔、反應(yīng)器； 一、對(duì)象特性被控對(duì)象分別是什么？一、對(duì)象特性對(duì)象特性：被控對(duì)象的輸出量隨輸入量及時(shí)間而變化的特性；輸出量：被控變量；操縱變量被控變量干擾被控對(duì)象輸入量：操縱變量、干擾；控制通道：操縱變量與被控變量之間的信號(hào)聯(lián)系；干擾通道：干擾與被控變量之間的信號(hào)聯(lián)系；一、對(duì)象特性操縱變量被控變量干擾被控對(duì)象控制方案取決于對(duì)

2、象特性；控制器參數(shù)的選擇取決于對(duì)象特性；第一節(jié) 對(duì)象特性及描述方法 一、對(duì)象特性 二、對(duì)象特性的描述方法一、對(duì)象特性的描述方法機(jī)理模型：從機(jī)理出發(fā)，即從對(duì)象內(nèi)在的物理和化學(xué)規(guī)律出發(fā)， 建立描述過程輸入、輸出特性的數(shù)學(xué)模型。 實(shí)測(cè)(經(jīng)驗(yàn))模型：可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試或依據(jù)積累的操作數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)回歸方法進(jìn)行處理，建立輸出和輸入之間的數(shù)學(xué)模型。 混合模型：通過機(jī)理分析，得出模型的結(jié)構(gòu)或函數(shù)形式，而對(duì)其中的部分參數(shù)通過實(shí)測(cè)得到。一、對(duì)象特性的描述方法1、機(jī)理模型 根據(jù)生產(chǎn)過程的內(nèi)在機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程； 對(duì)復(fù)雜對(duì)象的機(jī)理法建模需要進(jìn)行合理的假設(shè)與簡化。 推導(dǎo)出代表對(duì)象動(dòng)態(tài)特

3、性的微分方程；物料平衡方程；能量平衡方程；動(dòng)量平衡方程；相平衡方程系統(tǒng)內(nèi)物料（或能量）蓄藏量的變化率 = 單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入系統(tǒng)的物料量（或能量）- 單位時(shí)間內(nèi)由系統(tǒng)流出的物料量（或能量）+ 單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)產(chǎn)生的物料量（或能量）一、對(duì)象特性的描述方法1、機(jī)理模型明確：被控對(duì)象； 被控變量； 操縱變量； 控制通道；儲(chǔ)槽液位控制Q1Q2一、對(duì)象特性的描述方法1、機(jī)理模型建模：建立被控對(duì)象的輸出與操縱變量之間的關(guān)系；h ( t ) = f ( Q1, t )依據(jù)：物料平衡對(duì)象物料蓄存量的變化率單位時(shí)間流入對(duì)象的物料單位時(shí)間流出對(duì)象的物料一、對(duì)象特性的描述方法1、機(jī)理模型對(duì)象物料蓄存量的變化率 單位時(shí)間流

4、入對(duì)象的物料 單位時(shí)間流出對(duì)象的物料在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的靜態(tài)方程是：V：儲(chǔ)槽內(nèi)液體體積A：儲(chǔ)槽截面積一、對(duì)象特性的描述方法1、機(jī)理模型在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的靜態(tài)方程是：閥門2的流出系數(shù)，與閥的開度有關(guān)；液罐對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，是一個(gè)非線性微分方程。 一、對(duì)象特性的描述方法1、機(jī)理模型在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的靜態(tài)方程是： 若液位始終在其穩(wěn)態(tài)值附近很小范圍內(nèi)變化，則可將非線性微分方程轉(zhuǎn)換為線性微分方程。線性化方法：將非線性項(xiàng)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開，并取線性部分。注意：只在某一穩(wěn)態(tài)點(diǎn)附近小范圍內(nèi)有效。一、對(duì)象特性的描述方法1、機(jī)理模型在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的靜態(tài)方程是：以增量形式（表示）表示各變量偏離起始穩(wěn)態(tài)值的程度，即：

5、R2流出閥的阻力系數(shù)， 與h0有關(guān)。 一、對(duì)象特性的描述方法1、機(jī)理模型在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的靜態(tài)方程是：R2流出閥的阻力系數(shù)， 與h0有關(guān)。 一、對(duì)象特性的描述方法1、機(jī)理模型T：時(shí)間常數(shù)；K：放大系數(shù)； 它著眼于量的變化，表示了穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)附近儲(chǔ)槽液位h與輸入Q1間滿足的關(guān)系。 一般情況下，增量符號(hào)省略。 一階常系數(shù)微分方程，也稱一階對(duì)象 一、對(duì)象特性的描述方法2、測(cè)試模型用機(jī)理法建模要求對(duì)生產(chǎn)過程的機(jī)理充分掌握；許多對(duì)象的特性很復(fù)雜，很難通過內(nèi)在機(jī)理分析直接得到描述對(duì)象特性的數(shù)學(xué)模型；測(cè)試法建模：通過對(duì)生產(chǎn)過程施加某種輸入激勵(lì)信號(hào)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的輸入和輸出數(shù)據(jù),進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理后得到的模型。

6、幾個(gè)概念 系統(tǒng)辨識(shí) 參數(shù)估計(jì) 測(cè)試信號(hào)測(cè)試信號(hào)的不同 階躍響應(yīng)曲線 矩形脈沖特性曲線 頻率特性一、對(duì)象特性的描述方法2、測(cè)試模型階躍響應(yīng)曲線法：對(duì)被控對(duì)象施加階躍輸入，測(cè)取對(duì)象輸出隨時(shí)間變化曲線，然后用數(shù)學(xué)方法對(duì)曲線進(jìn)行處理，得到描述對(duì)象特性的參數(shù)。Q1tB0t0ht0開大閥1；測(cè)得B；記錄h。自衡性：自發(fā)趨于新的平衡狀態(tài)第十二章 被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性 第一節(jié) 對(duì)象特性及描述方法 第二節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)第二節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù) 一、放大系數(shù)K 二、時(shí)間常數(shù)T 三、純滯后時(shí)間 對(duì)象特性可以由數(shù)學(xué)模型來描述，從數(shù)學(xué)模型中提取一些參數(shù)來表征對(duì)象輸出和輸入之間的變化關(guān)系，如放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)、純滯后

7、時(shí)間。T：時(shí)間常數(shù)；K：放大系數(shù)；Q1t0t0ht0Q1hs對(duì)階躍變化的輸入，則有：一、放大系數(shù)KQ1t0t0ht0Q1hs(1)在數(shù)值上等于對(duì)象處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)輸出變化量與輸入變化量之比；(2)放大系數(shù)是描述對(duì)象靜態(tài)特性的參數(shù)。所以又稱為靜態(tài)增益。(3)放大系數(shù)愈大，表示控制作用愈靈敏。但放大系數(shù)太大，會(huì)使操縱變量對(duì)被控變量的影響過強(qiáng)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。一、放大系數(shù)K注：K有正有負(fù)第二節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù) 一、放大系數(shù)K 二、時(shí)間常數(shù)T 三、純滯后時(shí)間二、時(shí)間常數(shù)TQ1t0t0hTQ1hs當(dāng)t=T，則有63.2%hs時(shí)間常數(shù)T：當(dāng)對(duì)象受到階躍輸入作用后，輸出達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2所需的時(shí)

8、間。 二、時(shí)間常數(shù)TQ1t0t0hTQ1hs63.2%hs時(shí)間常數(shù)T：當(dāng)對(duì)象受到階躍輸入作用后，輸出達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2所需的時(shí)間。 R2：流出閥的阻力系數(shù)，與h0有關(guān)。 A：儲(chǔ)槽截面積A越大，T越大 T也稱容量滯后。二、時(shí)間常數(shù)TQ1t0t0hQ1時(shí)間常數(shù)T：當(dāng)對(duì)象受到階躍輸入作用后，輸出達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2所需的時(shí)間。 123T1T2T3 時(shí)間常數(shù)是動(dòng)態(tài)參數(shù)，用來表征被控變量變化快慢的程度。 也稱容量滯后。第二節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù) 一、放大系數(shù)K 二、時(shí)間常數(shù)T 三、純滯后時(shí)間三、純滯后時(shí)間 溶液濃度的改變比加料量的改變落后一個(gè)由料斗到加料口的傳輸時(shí)間，這種現(xiàn)象稱為純滯后，落后的

9、時(shí)間稱為純滯后時(shí)間 。 操縱變量（輸入）：加料量 被控變量（輸出）：溶液溶度 被控對(duì)象：溶解槽LL：溶質(zhì)傳輸?shù)木嚯x；v：溶質(zhì)傳輸?shù)乃俣取Ｃ枋鰧?duì)象動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)純滯后時(shí)間：反映了對(duì)象的輸出改變落后于輸入改變的時(shí)間，動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。放大系數(shù)K：反映了兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間輸出變化量與輸入變化量之間的比值關(guān)系，靜態(tài)特性參數(shù)；時(shí)間常數(shù)T（容量滯后）：反映了輸出變化速度，動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。Q1t0t0hTQ1hs63.2%hs 自動(dòng)控制系統(tǒng)中，滯后的存在是不利于控制的。所以，在設(shè)計(jì)和安裝控制系統(tǒng)時(shí)，都應(yīng)當(dāng)盡量把滯后時(shí)間減到最小。 注意常見被控對(duì)象的特性參數(shù)只差一段管子，幾乎立刻變化。操縱變量（輸入）：泵出口流量（后）被控變量（輸出）：泵出口流量（前）被控對(duì)象：泵出口管道1、流量對(duì)象2、壓力對(duì)象T、都很小操縱變量（輸入）：霧化蒸汽流量被控變量（輸出）：霧化蒸汽壓力被控對(duì)象：霧化蒸汽管道常見被控對(duì)象的特性參數(shù)2、壓力對(duì)象T跟氣罐容積有關(guān)，很小操縱變量（輸入）：氣罐出口流量被控變量（輸出）：氣罐壓力被控對(duì)象：氣罐3、液位對(duì)象T跟液罐容積有關(guān)，很小操縱變量（輸入）：液罐入口流量被控變量（輸出）：液位被控對(duì)象：液罐常見被控對(duì)象的特性參數(shù)4、溫度對(duì)象T很大，很大，約為數(shù)分