過程控制工程過程動態(tài)特性建模與分析

1、過程控制工程過程動態(tài)特性建模與分析第1頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三上一講內(nèi)容回顧過程控制工程的研究對象與任務(wù)控制系統(tǒng)的設(shè)計目的單回路控制系統(tǒng)的組成、方塊圖描述法及方塊圖中線與方框圖的物理意義過程控制中的常用術(shù)語（中英文）控制系統(tǒng)的主要分類與設(shè)計過程第2頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三本章概要控制系統(tǒng)的組成單回路控制系統(tǒng)的描述簡單被控過程的機理建模方法廣義對象的概念及其動態(tài)測試第3頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三本章基本要求了解典型工業(yè)過程的動態(tài)特性類型；掌握簡單被控過程的機理建模方法；掌握“廣義對象”概念及其動態(tài)

2、特性的典型測試方法。第4頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三控制系統(tǒng)的基本組成過程末端執(zhí)行器傳感器控制器輸入輸出期望值第5頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三液位控制反饋控制第6頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三液位控制系統(tǒng)的方框圖問題：指出每一條連接線所對應(yīng)的變量信號的物理意義與單位，以及每一個方塊所表示的意義？第7頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三一般的單回路控制系統(tǒng)被控變量：溫度(T)、壓力(P)、流量(F)、液位或料位(L)、成分與物性等六大參數(shù)。第8頁，共45頁，2022年，5月20日，18點

3、35分，星期三方塊圖的注意事項正確的畫法不正確的畫法第9頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三課堂練習(xí)問題：畫出熱交換器溫度控制系統(tǒng)的方塊圖。第10頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三2.1 建模目的和方法建立被控對象數(shù)學(xué)模型的目的進(jìn)行工業(yè)過程優(yōu)化操作控制系統(tǒng)方案的設(shè)計和仿真研究控制系統(tǒng)的調(diào)試和控制器參數(shù)整定作為模型預(yù)測控制等先進(jìn)控制方法的數(shù)學(xué)模型工業(yè)過程的故障檢測與診斷設(shè)備啟動與停車的操作方案操作人員的培訓(xùn)系統(tǒng)第11頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三被控對象動態(tài)建模方法機理建模原理：根據(jù)過程的工藝機理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，

4、如物料平衡、能量平衡等，以及反映流體流動、傳熱、傳質(zhì)等基本規(guī)律的運動方程，由此獲得被控對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。特點：概念明確、適用范圍寬，要求對該過程機理明確。測試建模原理：對過程的輸入（包括控制變量與擾動變量）施加一定形式的激勵信號，如階躍、脈沖信號等，同時記錄相關(guān)的輸入輸出數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由此獲得對象的動態(tài)模型。特點：無需深入了解過程機理，但適用范圍小，模型準(zhǔn)確性有限。第12頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三2.2 機理建模的步驟根據(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。第13頁，

5、共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三對象機理建模舉例#1（p. 20） 物料平衡方程： 流體運動方程：第14頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三對象機理建模舉例#1(續(xù))線性化：第15頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三一階過程的描述一階過程通常的描述方式為：過程增益K時間常數(shù)T第16頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三#1舉例的simulink仿真K反映了輸出變化的幅度第17頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三無振蕩的自衡過程第18頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期

6、三#1舉例的simulink仿真（續(xù)）時間常數(shù)T反映了輸出變化的快慢第19頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三工程中常見的一階對象第20頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三對象機理建模舉例#2 物料平衡方程： 流體運動方程：第21頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三#2舉例的simulink仿真無振蕩的自衡過程第22頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三無振蕩的自衡過程第23頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三高階過程第24頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三工程上

7、常見的二階過程第25頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三機理建模舉例#3物料平衡方程：無振蕩的非自衡過程第26頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三無振蕩的非自衡過程第27頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三過程控制廣義對象動態(tài)特性分類自衡過程（Self-Regulating Processes）(1) 無振蕩的自衡過程(2) 有振蕩的自衡過程非自衡過程（Non-Self-Regulating Processes）(1) 無振蕩的非自衡過程(2) 有振蕩的非自衡過程(3) 具有反向特性的非自衡過程第28頁，共45頁，2022年，5

8、月20日，18點35分，星期三無振蕩自衡過程模型第29頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三無振蕩非自衡過程模型第30頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三具有反向特性的非自衡過程模型第31頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三小結(jié)被控對象動態(tài)建模方法機理建模的步驟過程控制廣義對象動態(tài)特性分類第32頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三2.3 階躍響應(yīng)建模階躍響應(yīng)的獲取(P30)階躍響應(yīng)測試法注意事項合理選擇階躍響擾動信號的幅度，5%15%為宜初始穩(wěn)定，避免偶然干擾不同設(shè)定值與正反向的多次測試數(shù)據(jù)處理，剔除明顯不合

9、理的部分第33頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三工業(yè)過程控制對象的特點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、不確定性與時變等特性。第34頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三SimuLink的使用介紹熟悉與掌握系統(tǒng)所提供的SimuLink常用模塊，如輸入信號、輸出顯示、傳遞函數(shù)模塊、常用數(shù)學(xué)函數(shù)等；掌握SimuLink運行數(shù)據(jù)與Matlab數(shù)據(jù)平臺的聯(lián)結(jié)，以及Matlab常用的作圖方法；掌握子系統(tǒng)的封裝技術(shù)；第35頁，

10、共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三廣義對象的描述可用一階加純滯后模型來描述廣義對象：第36頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三過程增益的計算第37頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三過程的時間常數(shù)第38頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三過程的時間滯后第39頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三階躍響應(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：第40頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三階躍響應(yīng)測試法2第41頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三廣義對象矩形脈沖響應(yīng)測試法第42頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三結(jié) 論介紹了簡單被控過程的機理建模方法與線性化問題；講述了“廣義對象”的概念及其動態(tài)特性的典型測試方法。第43頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三習(xí)題P. 28, 習(xí)題2-1,P. 29, 習(xí)題2-5,p. 42, 習(xí)題3-1,p. 42, 習(xí)題3-3.（若可能，請用Matlab 作圖）第44頁，共45頁，2022年，5月20日，18點35分，星期三仿真練習(xí)閱讀matlab幫助中Simulink部分有關(guān)“Creating Maske