中国石油大学过程控制课件-02-过程动态特性

过程动态特性分析 内容 控制系统系能指标过程特性分类过程特性机理建模法执行机构介绍过程特性测试建模法Summary 一般的反馈控制系统 控制目标 控制系统性能指标 稳态 Static 被控量不再随时间变化时 系统处于平衡状态 动态 Dynamic 被控量随时间变化 系统处于不平衡动态时 过渡过程 从一个平衡态到另一个平衡态 控制作用实施的过程 控制系统性能指标 a b 为不稳定的过程 生产不希望的情况 c d 稳定 但 d 非周期振荡虽能稳定下来 但偏差太大 过渡过程缓慢 时间也较长 控制系统性能指标 控制系统性能指标 控制系统性能指标 控制系统性能指标 一般的反馈控制系统 影响动态指标的因素 被控过程动态特性的重要性 不同的被控过程具有不同的特性很难改变广义的被控过程 包括测量与执行机构 很容易改变控制器参数控制工程师能做的就是调整控制器使其适合被控过程对于某一被控过程 最适合其特性的最简单的控制器是最好的控制器 动态特性及分类 静态特性 输入 输出的稳态关系 稳定后相应的关系 用代数方程表示 动态特性 输入变化后 输出随时间变化的特性 用微分方程表示 另外还有 传递函数 动态结构图 自衡过程 稳定对象 1 单容过程 2 多容过程非自衡过程例如 某些液位对象与某些放热反应器 被控过程举例 1 该被控过程是稳定的 为什么 被控过程举例 2 该被控过程是不稳定的 为什么 被控过程举例 3 该被控过程是否是稳定的 为什么 获取过程动态特性的途径 基于过程动态学的机理建模根据某一被控过程的化学与物理机理 基于物料平衡 能量平衡与过程动力学等方程 来描述过程输入与输出之间的动态特性 基于过程数据的测试建模为获取过程动态特性 手动改变某一被控过程的输入 同时记录过程输入输出数据 并基于过程数据建立输入与输出之间动态模型 建模举例 1 p 27 物料平衡方程 问题讨论 如何采用SimuLink建立被控过程的仿真模型并设置初始运行状态 出口流量与液位的关系 对于该液位受控过程 选择h2为其被控变量 CV 并选取Qi为操作变量 MV 而Qd为主要干扰 各贮罐出口流量满足以下方程 建模举例 2 试建立该过程的动态方程以描述CV与MV DV之间的关系 并构建Matlab SimuLink仿真模型 建模举例 2 续 物料平衡方程 出口流量与液位的关系 单容过程举例 1 单容过程举例 2 单容过程举例 3 多容过程举例 4 描述过程特性的关键参数 过程增益 K 过程输出 响应输出 的变化量与过程输入 施加激励 的变化量的比值 即 过程一阶时间常数 T 过程纯滞后时间 过程增益计算举例 1 过程增益计算举例 2 过程增益计算举例 3 过程增益备注 过程增益描述了稳态条件下 过程输出对输入变量变化的灵敏度 被控过程增益包括三部分 符号 数值与单位 过程增益只涉及两个稳态 因此说过程增益反映了被控过程的静态或稳态特性 有时 也称 静态 稳态增益 过程一阶时间常数 T 基本定义对单容过程而言 过程一阶时间常数定义为过程输出开始变化至达到全部变化的63 2 所需的时间 过程纯滞后时间 基本定义过程纯滞后时间定义为过程输入施加激励至过程输出开始变化所需的时间 关于过程特性参数K T 这三个参数的取值描述了一个实际被控过程的基本特性 其中K反映静态特性 而T 反映了过程的动态特性 由于绝大多数工业过程为非线性对象 即使对于同一被控过程 上述参数也将随工况的变化而变化 对象两时间参数的比值 T 直接关系到控制系统的可控性 T越大 控制难度越大 对象特性对控制性能的影响 一 调节通道 K0 K0大 调节灵敏 但K0太大 易不稳定 T0 应适当小 调节较快 若T0太大 反应太慢 0 降低稳定性 0 0最好 二 干扰通道 Kf小对系统有利 Tf缓慢变化有利 f 纯滞后时间大小不影响调节效果 多容过程数学模型的描述 多阶模型二阶加纯滞后模型一阶加纯滞后模型 实际工业过程的动态特性 绝大多数被控过程为自衡对象 除部分液位对象外 因此均可用上述特性参数描述 所有被控过程均具有一定范围的纯滞后 被控过程的阶跃响应经常是单调且缓慢的 响应时间通常为分级 部分流量对象为秒级 由于被控过程的非线性 上述特性参数的取值通常与操作工况有关 检测元件及变送器特性 过程描述与信号流程图 温度控制系统的信号流程图 检测元件及变送器特性 检测元件的动态特性 可以写成 R对Y有微分作用由于Tm的存在 Z的最大偏差比Y小 掩盖了真实的最大偏差值 Y早已超过限度 z还是能满足要求 调节阀特性 功能 根据阀头气压的大小 通过阀杆改变阀体中阀芯的位置 进而调节流经阀体的流体流量 调节阀气开 气关特性 1控制阀 2控制阀 阀门的 气开 与 气关 1 气开阀与气关阀气开阀 pc f 有气则开 气关阀 pc f 有气则关 无气源 pc 0 时 气开阀全关 气关阀全开 2 气开阀与气关阀的选择原则 若无气源时 希望阀全关 则应选择气开阀 如加热炉瓦斯气调节阀 若无气源时 希望阀全开 则应选择气关阀 如加热炉进风蝶阀 控制阀气开气关特性选择举例 调节阀的理想流量特性 固有流量特性 调节阀理想流量特性 通过控制阀的流量和阀门开度之间的函数关系 f为相对流量 l为相对开度 线性阀 1 等百分比阀或称对数阀 2 调节阀的工作流量特性分析 阀阻比S100 调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比 即 调节阀的工作流量特性分析 线性阀的特性变异 对数阀的特性变异 调节阀流量特性总结 线性阀 在理想情况下 调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关 而随着管路系统阀阻比的减少 当开度到达50 70 时 流量已接近其全开时的数值 即Kv随着开度的增大而显著下降 对数阀 在理想情况下 调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加 而随着管路系统阀阻比的减少 Kv渐近于常数 调节阀流量特性的选择 选择原则 通过选择一条合适的非线性曲线 去补偿其他环节特性变化引起的对稳定性的影响仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于0 60以上 即调节阀两端的压差基本不变 才选择线性阀 如液位控制系统 其他情况大都应选择对数阀 控制系统 广义对象 的概念 广义对象 包括控制回路中除控制器外的每一部分 它反映了控制器输出对CV测量输出的影响 控制系统 广义对象 的概念 特点 1 使控制系统的设计与分析简化 2 广义对象的输入输出通常可测量 以便于测试其动态特性 3 只关心某些特定的输入输出变量 可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象 获取过程动态特性的途径 基于过程动态学的机理建模根据某一被控过程的化学与物理机理 基于物料平衡 能量平衡与过程动力学等方程 来描述过程输入与输出之间的动态特性 基于过程数据的测试建模为获取过程动态特性 手动改变某一被控过程的输入 同时记录过程输入输出数据 并基于过程数据建立输入与输出之间动态模型 广义对象的特性参数 广义对象过程增益 Kp 传感变送器输出 即广义对象输出 的稳态变化量与控制器输出 即广义对象输入 的稳态变化量之比值 过程时间常数 Tp 过程纯滞后时间 p 对象特性的阶跃响应测试法 借助于阶跃响应试验 获取过程输入输出CO 控制器输出 与TO 变送器输出 的动态响应数据 1 将控制器改为 手动 操作模式 2 以阶跃方式 改变控制器输出 3 记录控制器输出与变送器输出响应数据 基于过程测试数据 估计广义对象的特性参数 换热器温度控制系统的开环阶跃响应 基于阶跃响应的特性参数计算 基于阶跃响应的特性参数计算 假设温度变送器的检测量程为100 300 即变送器输出变化为4 则广义对象的增益为 小结 过程工业中被控对象动态特性的特点过程特性机理建模法过程特性测试建模法 广义对象 的概念 与如何基于过程阶跃响应来建立输入与输出之间动态模型 被控过程的特性参数自衡过程的三参数描述法 掌握过程特性参数的物理意义与估计方法 问题讨论与练习 对于某一对象特性未知的被控过程 相应的阶跃响应如下