过程控制工程过程动态特性建模与分析精选文档.ppt

过程控制工程过程动态特性建模与分析本讲稿第一页，共四十五页上一讲内容回顾n过程控制工程的研究对象与任务n控制系统的设计目的n单回路控制系统的组成、方块图描述法及方块图中线与方框图的物理意义n过程控制中的常用术语（中英文）n控制系统的主要分类与设计过程本讲稿第二页，共四十五页本章概要n控制系统的组成n单回路控制系统的描述n简单被控过程的机理建模方法n广义对象的概念及其动态测试本讲稿第三页，共四十五页本章基本要求n了解典型工业过程的动态特性类型；n掌握简单被控过程的机理建模方法；n掌握“广义对象”概念及其动态特性的典型测试方法。本讲稿第四页，共四十五页控制系统的基本组成过程末端执行器传感器控制器输入输出期望值本讲稿第五页，共四十五页液位控制反馈控制本讲稿第六页，共四十五页液位控制系统的方框图问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？本讲稿第七页，共四十五页一般的单回路控制系统被控变量被控变量：温度(T)、压力(P)、流量(F)、液位或料位(L)、成分与物性等六大参数。本讲稿第八页，共四十五页方块图的注意事项正确的画法不正确的画法本讲稿第九页，共四十五页2.1 建模目的和方法n建立被控对象数学模型的目的n进行工业过程优化操作n控制系统方案的设计和仿真研究n控制系统的调试和控制器参数整定n作为模型预测控制等先进控制方法的数学模型n工业过程的故障检测与诊断n设备启动与停车的操作方案n操作人员的培训系统本讲稿第十一页，共四十五页被控对象动态建模方法n机理建模原理原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。特点特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。n测试建模原理原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。特点特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。本讲稿第十二页，共四十五页2.2 机理建模的步骤n根据建模的对象和模型使用的目的进行合理的假设；n根据过程的内在机理建立数学方程；n进行自由度分析，保证模型有解；n简化模型。本讲稿第十三页，共四十五页对象机理建模举例#1（p.20）n 物料平衡方程物料平衡方程：n 流体运动方程流体运动方程：本讲稿第十四页，共四十五页对象机理建模举例#1(续)线性化：本讲稿第十五页，共四十五页一阶过程的描述n一阶过程通常的描述方式为：过程增益K时间常数T本讲稿第十六页，共四十五页#1举例的simulink仿真K反映了输出变化的幅度本讲稿第十七页，共四十五页无振荡的自衡过程本讲稿第十八页，共四十五页#1举例的simulink仿真（续）时间常数T反映了输出变化的快慢本讲稿第十九页，共四十五页工程中常见的一阶对象本讲稿第二十页，共四十五页对象机理建模举例#2n 物料平衡方程物料平衡方程：n 流体运动方程流体运动方程：本讲稿第二十一页，共四十五页#2举例的simulink仿真无振荡的自衡过程本讲稿第二十二页，共四十五页无振荡的自衡过程本讲稿第二十三页，共四十五页高阶过程本讲稿第二十四页，共四十五页工程上常见的二阶过程本讲稿第二十五页，共四十五页机理建模举例#3物料平衡方程：无振荡的非自衡过程本讲稿第二十六页，共四十五页无振荡的非自衡过程本讲稿第二十七页，共四十五页过程控制广义对象动态特性分类n自衡过程（Self-Regulating Processes）(1)无振荡的自衡过程(2)有振荡的自衡过程n非自衡过程（Non-Self-Regulating Processes）(1)无振荡的非自衡过程(2)有振荡的非自衡过程(3)具有反向特性的非自衡过程本讲稿第二十八页，共四十五页无振荡自衡过程模型本讲稿第二十九页，共四十五页无振荡非自衡过程模型本讲稿第三十页，共四十五页具有反向特性的非自衡过程模型本讲稿第三十一页，共四十五页小结n被控对象动态建模方法n机理建模的步骤n过程控制广义对象动态特性分类本讲稿第三十二页，共四十五页2.3 阶跃响应建模n阶跃响应的获取阶跃响应的获取(P30)n阶跃响应测试法注意事项阶跃响应测试法注意事项n合理选择阶跃响扰动信号的幅度，5%15%为宜n初始稳定，避免偶然干扰n不同设定值与正反向的多次测试n数据处理，剔除明显不合理的部分本讲稿第三十三页，共四十五页工业过程控制对象的特点工业过程控制对象的特点n除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象；n对象动态特性存在不同程度的纯迟延；n对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流量对象外的被调量的变化相对缓慢；n被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。本讲稿第三十四页，共四十五页SimuLink的使用介绍的使用介绍n熟悉与掌握系统所提供的SimuLink常用模块，如输入信号、输出显示、传递函数模块、常用数学函数等；n掌握SimuLink运行数据与Matlab数据平台的联结，以及Matlab常用的作图方法；n掌握子系统的封装技术；本讲稿第三十五页，共四十五页广义对象的描述可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象：本讲稿第三十六页，共四十五页过程增益的计算本讲稿第三十七页，共四十五页过程的时间常数本讲稿第三十八页，共四十五页过程的时间滞后本讲稿第三十九页，共四十五页阶跃响应测试法1n 对象的近似模型：对应参数见左图，而增益为：本讲稿第四十页，共四十五页阶跃响应测试法2本讲稿第四十一页，共四十五页广义对象矩形脉冲响应测试法本讲稿第四十二页，共四十五页结 论n介绍了简单被控过程的机理建模方法与线性化问题；n讲述了“广义对象”的概念及其动态特性的典型测试方法。本讲稿第四十三页，共四十五页习题1.P.28,习题2-1,2.P.29,习题2-5,3.p.42,习题3-1,4.p.42,习题3-3.（若可能，请用Matlab 作图）本讲稿第四十四页，共四十五页仿真练习n阅读matlab帮助中Simulink部分有关“Creating Masked Subsystems”的内容，并按照其中的说明构造自己专用的传递函数模块，该模块具有初始的输入和输出，并包含纯滞后环节。n对自己的传递函数模块进行阶跃响应测试，并用plot命令画出阶跃输入和响应输出曲线（标明曲线的横、纵坐标，名称）。并对曲线的线形、颜色、粗细、座标等进行修改。本讲稿第四十五页，共四十五页