过程控制第一章动态特性.ppt

第一章 生产过程动态特性,1-1 过程控制系统的性能指标 1-2 被控对象的动态特性 1-3 过程数学模型及其建立方法,过程控制的研究内容： （1）制定控制系统的控制目标（即设计指标参数）； （2）认识生产过程的动态特性（一般为广义对象的动态性）； （3）设计控制器的控制规律及控制结构，使控制系统达到控制系统的控制指标要求。,1-1 过程控制系统的性能指标 一、单项性能指标 衰减率、超调量、稳态误差、调节时间 二、时间积分指标 IE、IAE、ISE、ITAE 小结： 1 单项指标用若干特征参数评价系统优劣； 2 积分指标用误差积分综合评价系统优劣； 3 根据具体生产过程的实际选用不同的指标； 4 通常将衰减率和积分指标结合，首先满足衰减率。,控制器,广义被控对象,给定值,被调量,稳态,稳态,动态,控制要求 安全性 经济性 稳定性,评价指标 稳定性 准确性 快速性,给定,被调量,y1,y3,y,ess,ts,单项性能指标 衰减率: = 超调量: = 稳态误差: ess=y-r 调节时间: ts(进入稳态值5%范围内） 振荡频率：,r,单项性能指标 衰减率 : 反映了系统稳定性 超调量 : 反映了动态准确性 稳态误差ess: 反映了静态准确性 调节时间ts : 反映了快速型 振荡频率：反映了快速型,一般 对定值系统衰减率要求为0.75 对随动系统衰减率要求为0.90,讨论： （对二阶系统）,一般地，通过对控制器调节规律和参数选择，可以使使得控制系统的闭环极点发生改变。在相同的衰减率下，振荡频率越高则回复时间越短；而在相同的振荡频率下，衰减率越大则回复时间越短。因此振荡频率也在一定程度上可作为衡量控制快速性的一个指标。,控制器,广义被控对象,给定值,被调量,1-2 被控对象的动态特性 一、基本概念 被控对象的动态特性是指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律 。 对于线性系统，其动态特性可用传递函数来描述。 二、典型对象动态特性 1. 典型实例分析,有自平衡单容对象,（1）单容水箱,物质平衡方程：,在工作点线性化处理：,传递函数：,阶越响应：,有自平衡双容对象,（2）双容水箱,对物质平衡方程在工作点处进行线性化处理后达到传递函数为：,阶越响应：,（3）带延长管的单容水箱,传递函数为：,阶越响应：,有迟延自衡单容对象,（1）典型自衡对象传递函数表达式,（2）典型非自衡对象传递函数表达式,2. 归纳：,三、工业过程动态特性的特点 无振荡 稳定或中性稳定 有惯性或迟延 非线性,一、过程数学模型的表达形式与对模型的要求 二、建立数学模型的两个基本方法 机理建模法 测试建模法 三、阶跃响应确定传递函数 1 阶跃响应获取应注意的问题 2 确定自衡对象传递函数 3 确定非自衡对象传递函数,1-3 过程数学模型及其建立方法,1 被控对象数学模型的表达形式,按模型结构划分：,输入输出模型 状态空间模型,连续系统模型 离散系统模型,按系统的连续性划分：,2 被控对象数学模型的利用方式 离线方式：数学模型只是在进行控制系统时间或调试整定阶段中发挥作用 在线方式：数学模型作为一个组成部分嵌入控制系统中，具有实时性。 3 对被控对象数学模型的要求 一般不要求非常准确。闭环控制本身具有一定的鲁棒性。,机理建模：,物质平衡方程 能量平衡方程 动量平衡方程,输入输出微分方程,传递函数,在工作点附近线性化处理,测试建模： 用阶跃响应曲线建模（开环） 用脉冲响应曲线建模（开环） 用正弦响应建模（闭环） 其他辨识方法建模,飞升曲线,阶跃响应获取应注意的问题,（1）合理选择阶跃扰动的幅度 (一般约为额定负荷的10%20%) （2）实际阀门只能以有限速度移动 一般认为阶跃信号是在t1 /2时加入 （3）试验前确保被控对象处于稳定工况 考虑过程的非线性特性，应进行多次测试。 （4）若过程不允许同一方向扰动加入，则采用矩形脉冲扰动 可从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应。,2 确定自衡对象传递函数,典型自衡过程： 一阶惯性环节,用有理分式表示的传递函数,选择哪种传递函数的形式，可依据以下两点： 对被控对象的验前知识的掌握 对建立数学模型准确性的要求,二阶或n阶惯性环节,（1）确定,参数,的作图法,t1/2处为扰动起点； 在s型响应曲线找拐点，并作切线； 记交点a、b和c,a,b,起点到a的距离为； a点到c点的距离为T；,c,（2）确定,参数的两点法,将响应曲线标幺,取y*(t1)=0.39，取y*(t2)=0.63，记t1和t2,取,验证,（3）确定,参数的两点方法,将响应曲线标幺并去掉纯迟延的到y*(t),取y*(t1)=0.4，取y*(t2)=0.8，记t1和t2,若0.32t1/t20.46 ，则为二阶对象,若t1/t20.46 ，则为高阶对象 见表1-1（p.28),n t1/t2 1 0.317 2 0.46 3 0.534 4 0.584 5 0.618 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 高阶对象中n与比值t1/t2的关系,（4）确定有理分式参数的方法（面积方法）,定义,根据拉氏变换的终值定理，可知,又定义,则有：,h(t)是单位阶跃响应,依次类推，可得到一个线性方程组：,求解该方程组就可得到a0an和b0bm的值,3由阶跃响应确定非自衡过程近似传递函数,一阶积分环节的多容过程,非自衡过程传递函数为：,一阶积分环节的纯迟延过程,*当对象的阶数n6时，一般多容过程传递函数描述,（1）一阶积分的多容过程,阶跃响应为,当y*(t)0时 ，记tta 有：tanT Tta /n,渐近线方程：,当t0时，y*(t)0h,不能直接得到结果,可以直接得到结果,当ttanT时，y(ta)=y1(ta),值为 ：,由渐近线方程有：,*故