第一章 動態(tài)特性.ppt

1、第一章 生產(chǎn)過程動態(tài)特性,1-1 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 1-2 被控對象的動態(tài)特性 1-3 過程數(shù)學(xué)模型及其建立方法,過程控制的研究內(nèi)容： （1）制定控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)（即設(shè)計指標(biāo)參數(shù)）； （2）認(rèn)識生產(chǎn)過程的動態(tài)特性（一般為廣義對象的動態(tài)性）； （3）設(shè)計控制器的控制規(guī)律及控制結(jié)構(gòu)，使控制系統(tǒng)達(dá)到控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)要求。,1-1過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 一、單項性能指標(biāo) 衰減率、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、調(diào)節(jié)時間 二、時間積分指標(biāo) IE、IAE、ISE、ITAE 小結(jié)： 1 單項指標(biāo)用若干特征參數(shù)評價系統(tǒng)優(yōu)劣； 2 積分指標(biāo)用誤差積分綜合評價系統(tǒng)優(yōu)劣； 3 根據(jù)具體生產(chǎn)過程的實際選用不同的指標(biāo)； 4

2、 通常將衰減率和積分指標(biāo)結(jié)合，首先滿足衰減率。,控制器,廣義被控對象,給定值,被調(diào)量,穩(wěn)態(tài),穩(wěn)態(tài),動態(tài),控制要求 安全性 經(jīng)濟(jì)性 穩(wěn)定性,評價指標(biāo) 穩(wěn)定性 準(zhǔn)確性 快速性,給定,被調(diào)量,y1,y3,y,ess,ts,單項性能指標(biāo) 衰減率: = 超調(diào)量: = 穩(wěn)態(tài)誤差: ess=y-r 調(diào)節(jié)時間: ts(進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值5%范圍內(nèi)） 振蕩頻率：,r,單項性能指標(biāo) 衰減率 : 反映系統(tǒng)穩(wěn)定性 超調(diào)量 : 反映動態(tài)準(zhǔn)確性 穩(wěn)態(tài)誤差ess: 反映靜態(tài)準(zhǔn)確性 調(diào)節(jié)時間ts : 反映快速型 振蕩頻率：反映快速型,一般 對定值系統(tǒng)衰減率要求為0.75 對隨動系統(tǒng)衰減率要求為0.90,討論： （對二階系統(tǒng)）,一般地

3、，通過對控制器調(diào)節(jié)規(guī)律和參數(shù)選擇，可以使使得控制系統(tǒng)的閉環(huán)極點發(fā)生改變。在相同的衰減率下，振蕩頻率越高則回復(fù)時間越短；而在相同的振蕩頻率下，衰減率越大則回復(fù)時間越短。因此振蕩頻率也在一定程度上可作為衡量控制快速性的一個指標(biāo)。,控制器,廣義被控對象,給定值,被調(diào)量,1-2被控對象的動態(tài)特性 一、基本概念 被控對象的動態(tài)特性是指被控對象的輸入發(fā)生變化時，其輸出（被調(diào)量）隨時間變化的規(guī)律 。 對于線性系統(tǒng)，其動態(tài)特性可用傳遞函數(shù)來描述。 二、典型對象動態(tài)特性 1. 典型實例分析,有自平衡單容對象,（1）單容水箱,物質(zhì)平衡方程：,在工作點線性化處理：,傳遞函數(shù)：,階躍響應(yīng)：,有自平衡雙容對象,（2）雙

4、容水箱,對物質(zhì)平衡方程在工作點處進(jìn)行線性化處理后達(dá)到傳遞函數(shù)為：,階躍響應(yīng)：,（3）帶延長管的單容水箱,傳遞函數(shù)為：,階躍響應(yīng)：,有遲延自衡單容對象,（1）典型自衡對象傳遞函數(shù)表達(dá)式,（2）典型非自衡對象傳遞函數(shù)表達(dá)式,2. 歸納：,三、工業(yè)過程動態(tài)特性的特點 無振蕩 穩(wěn)定或中性穩(wěn)定 有慣性或遲延 非線性，但在工作點附近可線性化,一、過程數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式與對模型的要求 二、建立數(shù)學(xué)模型的兩個基本方法 機(jī)理建模法 測試建模法 三、階躍響應(yīng)確定傳遞函數(shù) 1 階躍響應(yīng)獲取應(yīng)注意的問題 2 確定自衡對象傳遞函數(shù) 3 確定非自衡對象傳遞函數(shù),1-3 過程數(shù)學(xué)模型及其建立方法,2 被控對象數(shù)學(xué)模型的表達(dá)

5、形式,按模型結(jié)構(gòu)劃分：,輸入輸出模型 狀態(tài)空間模型,連續(xù)系統(tǒng)模型 離散系統(tǒng)模型,按系統(tǒng)的連續(xù)性劃分：,3 被控對象數(shù)學(xué)模型的利用方式 離線方式：數(shù)學(xué)模型只是在進(jìn)行控制系統(tǒng)時間或調(diào)試整定階段中發(fā)揮作用 在線方式：數(shù)學(xué)模型作為一個組成部分嵌入控制系統(tǒng)中，具有實時性。 4 對被控對象數(shù)學(xué)模型的要求 一般不要求非常準(zhǔn)確。閉環(huán)控制本身具有一定的魯棒性。,時域：微分方程、階躍響應(yīng) 頻域：傳遞函數(shù),1 建模的目的：分析、設(shè)計、調(diào)試控制系統(tǒng),機(jī)理建模：,物質(zhì)平衡方程 能量平衡方程 動量平衡方程,輸入輸出微分方程,傳遞函數(shù),在工作點附近線性化處理,測試建模： 用階躍響應(yīng)曲線建模（開環(huán)） 用脈沖響應(yīng)曲線建模（開環(huán)

6、） 用正弦響應(yīng)建模（閉環(huán)） 其他辨識方法建模,飛升曲線,階躍響應(yīng)獲取應(yīng)注意的問題,（1）合理選擇階躍擾動的幅度 (一般約為額定負(fù)荷的10%20%) （2）實際閥門只能以有限速度移動 一般認(rèn)為階躍信號是在t1 /2時加入 （3）試驗前確保被控對象處于穩(wěn)定工況 考慮過程的非線性特性，應(yīng)進(jìn)行多次測試。 （4）若過程不允許同一方向擾動加入，則采用矩形脈沖擾動 可從脈沖響應(yīng)曲線求出所需的階躍響應(yīng)。,2 確定自衡對象傳遞函數(shù),典型自衡過程： 一階慣性環(huán)節(jié),用有理分式表示的傳遞函數(shù),選擇哪種傳遞函數(shù)的形式，可依據(jù)以下兩點： 對被控對象的驗前知識的掌握 對建立數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性的要求,二階或n階慣性環(huán)節(jié),（1）確

7、定,參數(shù),的作圖法,t1/2處為擾動起點； 在s型響應(yīng)曲線找拐點，并作切線； 記交點a、b和c,a,b,起點到a的距離為； a點到c點的距離為T；,c,（2）確定,參數(shù)的兩點法,將響應(yīng)曲線標(biāo)幺,取y*(t1)=0.39，取y*(t2)=0.63，記t1和t2,取,驗證,（3）確定,參數(shù)的兩點方法,將響應(yīng)曲線標(biāo)幺并去掉純遲延的到y(tǒng)*(t),取y*(t1)=0.4，取y*(t2)=0.8，記t1和t2,若0.32t1/t20.46 ，則為二階對象,若t1/t20.46 ，則為高階對象 見表1-1（p.28),n t1/t2 1 0.317 2 0.46 3 0.534 4 0.584 5 0.61

8、8 6 0.640 7 0.666,n t1/t2 8 0.684 9 0.699 10 0.712 11 0.724 12 0.734 13 0.748 14 0.751,表1-1 高階對象中n與比值t1/t2的關(guān)系,（4）確定有理分式參數(shù)的方法（面積方法）,定義,根據(jù)拉氏變換的終值定理，可知,又定義,則有：,h(t)是單位階躍響應(yīng),依次類推，可得到一個線性方程組：,求解該方程組就可得到a0an和b0bm的值,3由階躍響應(yīng)確定非自衡過程近似傳遞函數(shù),一階積分環(huán)節(jié)的多容過程,非自衡過程傳遞函數(shù)為：,一階積分環(huán)節(jié)的純遲延過程,*當(dāng)對象的階數(shù)n6時，一般多容過程傳遞函數(shù)描述,（1）一階積分的多容過程,階躍響應(yīng)為,當(dāng)y*(t)0時 ，記tta 有：tanT Tta /n,漸近線方程：,當(dāng)t0時，y*(t)0h,不能直接得到結(jié)果,可以直接得到結(jié)果,當(dāng)ttanT時，y(ta)=y1(ta),值為 ：,由漸近線方程有：