过程控制电子档第二章2.1过程建模

1、过程控制 第二章过程控制 第二章过程控制 第二章过程控制 第二章数学模型数学模型一一. . 研究并建立数学模型的目的研究并建立数学模型的目的1.1.设计过程控制系统和整定调节器参数。设计过程控制系统和整定调节器参数。2.2.进行仿真试验研究。进行仿真试验研究。 3.3.指导生产工艺设备的设计。指导生产工艺设备的设计。4.4.培训运行操作人员。培训运行操作人员。 过程控制 第二章二二. . 数学模型的有关概念数学模型的有关概念u2.2.数学模型数学模型u1.1.被控过程被控过程控制器控制器执行器执行器被控过程被控过程测量变送测量变送x(t)x(t)+ +- -e(t)e(t)u(t)u(t)q(

2、t)q(t)y(t)y(t)z(t)f1(t) fn(t)u6.6.扰动扰动 内扰动内扰动外扰动外扰动同一个系统，同一个系统，过程通道不同，过程通道不同，其数学模型亦其数学模型亦不一样不一样过程控制 第二章u7.7.自衡过程自衡过程和和无自衡过程无自衡过程ox(t)ty(t)to(c)y(t)to(b)y(t)to(a)自衡过程自衡过程无自衡过程无自衡过程过程控制 第二章Q Q0 0Q Q1 1自衡过程自衡过程Q Q0 0Q Q1 1泵泵无自衡过程无自衡过程过程控制 第二章 线性线性非线性非线性只有一个被控量只有一个被控量三三. .过程数学模型的两种描述形式过程数学模型的两种描述形式参量形式参

3、量形式非参量形式非参量形式过程控制 第二章机理法机理法一、单容过程的建模一、单容过程的建模单容过程单容过程二、多容过程的建模二、多容过程的建模过程控制 第二章（一）自衡单容过程的建模（一）自衡单容过程的建模模型模型dtdhAQQ21h Aqq21dthdAqq21q q1 1q q2 2h hq q1010q q2020 h h0 0q q0 0q q2 2自衡单容过程自衡单容过程q q1 1LA=CA=C21h过程控制 第二章q q2 2h h22RhqR2 2 为阀门为阀门2 2的的阻力系数阻力系数，称为，称为液阻液阻dthdARhqR2121STKCSR1R)S(Q)S(H)S(W002

4、210K K0 0R R2 2T T0 0R R2 2C CC CdthdAqq21过程控制 第二章dthdARh)t (qR2002s0022000e1STKCSR1R)S(Q)S(H)S(W纯滞后纯滞后y(t)to(a)无延时无延时ox(t)t自衡单容过程的阶跃响应曲线自衡单容过程的阶跃响应曲线y(t)to(b)有延时有延时00过程控制 第二章（二）无自衡单容过程的建模（二）无自衡单容过程的建模模型模型dtdhAQQ212 2dthdCqq21无自衡单容过程无自衡单容过程q q1 1A=CA=C1hq q2 2定量泵定量泵dthdCq1ST1CS1)S(Q)S(H)S(Wa10T Ta a

5、为过程的积分时间常数，为过程的积分时间常数，=C=C过程控制 第二章ox(t)ty(t)to无自衡单容过程的阶跃响应曲线无自衡单容过程的阶跃响应曲线sa00eST1)S(W过程控制 第二章二、多容过程的建模二、多容过程的建模多容过程多容过程（一）自衡双容过程的建模（一）自衡双容过程的建模q q2 2自衡双容过程自衡双容过程q q1 1 C C1 121h1h23 C C2 2q q3 3被控量输入量过程控制 第二章2121121RhqdthdCqq3232232RhqdthdCqqC C1 1、C C2 2、R R2 2、R R3 3同单容过程中的定义，分别为容量系数和液阻同单容过程中的定义，

6、分别为容量系数和液阻1)S1)(TS(TK)S(Q)S(H)S(W210120过程控制 第二章被称为容量滞后被称为容量滞后oq1th1toh2to自衡双容过程的阶跃响应曲线自衡双容过程的阶跃响应曲线1)S1).(TS1)(TS(TK)S(Wn2100n0001)S(TK)S(W过程控制 第二章（二）无自衡双容过程的建模（二）无自衡双容过程的建模q q2 2无自衡双容过程无自衡双容过程q q1 1 C C1 121h1h2 C C2 2q q3 3定量泵定量泵hton=1n=2n=3n=4n=51)S(TST1)S(Q)S(H)S(Wa1202.1.17过程控制 第二章简化简化机理法建模的一般步

7、骤机理法建模的一般步骤：根据建模对象和模型使用目的做出合理假设根据建模对象和模型使用目的做出合理假设根据过程内在机理建立数学模型根据过程内在机理建立数学模型 过程控制 第二章小结小结：不加专门信号法不加专门信号法正常操作正常操作过程控制 第二章试验法试验法特点特点加专门信号加专门信号不加专门信号不加专门信号加专门信号法：加专门信号法：改变改变输入量输入量输出量输出量过程控制 第二章加专门信号加专门信号阶跃响应曲线法阶跃响应曲线法短矩形脉冲响应法短矩形脉冲响应法一一. .阶跃响应曲线法阶跃响应曲线法方法方法过程控制 第二章二二. .矩形脉冲响应曲线法矩形脉冲响应曲线法方法方法x(t)x2(t)x

8、1(t)ay(t)y(t)y1(t)y*(t)ty*(t)y1(t)tt矩形脉冲响应曲线及其转换矩形脉冲响应曲线及其转换过程控制 第二章三三. .由阶跃响应曲线确定过程的传递函数由阶跃响应曲线确定过程的传递函数!2.2.确定模型结构参数确定模型结构参数 K0、T、!1.1.由响应曲线形状选定模型结构由响应曲线形状选定模型结构1STK)S(W000) 1ST)(1ST(K)S(W2100s000e1STK)S(Ws2100e) 1ST)(1ST(K)S(WST1)S(Wa0sa0eST1)S(W) 1ST(ST1)S(W0a0s0a0e) 1ST( ST1) S(W过程控制 第二章工程上几种常用

9、的确定工程上几种常用的确定K K0 0、T T、的方法的方法G（一）由阶跃响应曲线确定（一）由阶跃响应曲线确定一阶环节一阶环节的特性参数的特性参数G（二）由阶跃响应曲线确定（二）由阶跃响应曲线确定一阶加滞后一阶加滞后环节的特性参数环节的特性参数G（三）由阶跃响应曲线确定（三）由阶跃响应曲线确定二阶或二阶或n n阶惯性环节阶惯性环节的特性参数的特性参数G（四）由阶跃响应曲线确定（四）由阶跃响应曲线确定无自衡过程无自衡过程的特性参数的特性参数过程控制 第二章ox(t)tx0y(t)toy()y(0)一阶环节的阶跃响应曲线一阶环节的阶跃响应曲线1)(sTKsWooo1.K1.K0 0的确定的确定2.

10、T2.T0 0的确定的确定 (1)(1)直角坐标做图法直角坐标做图法0 0BAG（一）由阶跃响应曲线确定一阶环节的特性参数（一）由阶跃响应曲线确定一阶环节的特性参数00)0()(xyyK2.1.18过程控制 第二章 (2)(2)计算法计算法y(t)oy*()y*(0)tt20.33t10.632)(y) t (y) t (*y2.1.19 y*(t1)=0.632 y*(t2)=0.33，0Tte1) t (*y2.1.20)t (*y1 lntT02.1.211111t1t632. 01 lntT21225t. 24 . 0t33. 01 lntT2.1.22过程控制 第二章 (3)(3)半

11、对数图解法半对数图解法t30.87y(t)oy*()y*(0)tt20.33t10.632t1t2，T T1=t=t1, T, T221 12 20 02TTT2102.1.2387. 0e-1)(2T*y2Tt00T2T-003时，39. 0e-1)2T(*y2Tt002TT-004时，2.1.241 12 20 0过程控制 第二章G（二）由阶跃响应曲线确定一阶加滞后环节的特性参数（二）由阶跃响应曲线确定一阶加滞后环节的特性参数BAC0T0s0e1)(sTKsWooo1.K1.K0 0的确定的确定2.T2.T0 0的确定的确定00)0()(xyyK2.1.25 (1)(1)直角坐标做图法直角

12、坐标做图法拐拐点点D D0 00 0toy(t)y ()ox(t)tx0一阶加滞后环节的阶跃响应曲线一阶加滞后环节的阶跃响应曲线D过程控制 第二章toy*(t)100% (2)(2)计算法计算法)(y) t (y) t (*y0T- t0 te1 t 0) t (*y002.1.26t1、 t239%t163.2%t2002001Tt2Tt1e1)t (*y e1)t (*y2.1.27过程控制 第二章002001Tt2Tt1e1)t (*y e1)t (*y2.1.27toy*(t)100%39%t163.2%t22 21 1 )t (*y1 lnTt )t (*y1 lnTt2002100

13、12.1.28 )t (*y1 ln)t (*y1 ln )t (*y1 lnt)t (*y1 lnt )t (*y1 ln)t (*y1 ln t -tT212112211202.1.29 y*(t1 y*(t2)=0.0.63，得，得211212120t -2t 632). 0ln(139). 0ln(1 632). 0ln(1t39). 0ln(1t )t -2(t 632). 0ln(139). 01 (ln t -tT2.1.300 0过程控制 第二章G（三）由阶跃响应曲线确定二阶或（三）由阶跃响应曲线确定二阶或n n阶惯性环节的特性参数阶惯性环节的特性参数toy(t)y()阶跃响应

14、曲线阶跃响应曲线sS S形阶跃响应曲线形阶跃响应曲线s0e1)(sTKsWooo1)S1)(TS(TK)S(W21001.K1.K0 0的确定的确定同一阶环节同一阶环节2.T2.T1 1、T T2 2的确定的确定过程控制 第二章1 12.T2.T1 1、T T2 2的确定的确定t10.4 y()y()toy(t)阶跃响应曲线阶跃响应曲线 (1)(1)两点法两点法0.8 y()t22 21 12, 2, 1 12 2过程控制 第二章 (2)(2)半对数图解法半对数图解法（p23-p25p23-p25） 0.55- tt74. 1)T(TTT 2.16 ttTT2122121212146. 0tt

15、32. 02132. 0tt2112. 2ttT2101)S1)(TS(TK)S(W210018. 22ttTTT210212000) 1ST(k)S(W46.0tt211)(sTKsWooo46. 0tt2116n. 2ttT ) 1ST(k)S(W210n000G（四）由阶跃响应曲线确定无自衡过程的特性参数（四）由阶跃响应曲线确定无自衡过程的特性参数 （p25-26p25-26）F F F F 4.4.系统辨识系统辨识 参数估计参数估计 确定模型的结构与参数有两种方法确定模型的结构与参数有两种方法过程控制 第二章 广义对象广义对象= =测量元件测量元件+ +变送器变送器+ +调节阀调节阀+

16、 +被控对象被控对象设计好调节设计好调节器的控制策略器的控制策略小结小结过程控制 第二章描述过程特性的参数对系统的影响描述过程特性的参数对系统的影响1. 放大系数放大系数K K对系统的影响对系统的影响放大系数越大，操纵变量的变化对被控变量的影响就越大，控制作用放大系数越大，操纵变量的变化对被控变量的影响就越大，控制作用对扰动的补偿能力强，有利于克服扰动的影响，余差就越小；反之，放对扰动的补偿能力强，有利于克服扰动的影响，余差就越小；反之，放大系数小，控制作用的影响不显著，被控变量变化缓慢。但放大系数过大系数小，控制作用的影响不显著，被控变量变化缓慢。但放大系数过大，会使控制作用对被控变量的影响

17、过强，使系统稳定性下降。大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统稳定性下降。控制通道控制通道 当扰动频繁出现且幅度较大时，放大系数大，被控变量的波动就当扰动频繁出现且幅度较大时，放大系数大，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数小，即使扰动较大，对被会很大，使得最大偏差增大；而放大系数小，即使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。控变量仍然不会产生多大影响。扰动通道扰动通道2. 2. 时间常数时间常数T T对系统的影响对系统的影响 对于扰动通道，时间常数大，扰动作用比较平缓，对于扰动通道，时间常数大，扰动作用比较平缓，被控变量的变化比较平稳，过程较易控制。被控变量的变化比

18、较平稳，过程较易控制。控制通道控制通道 在相同的控制作用下，时间常数大，被控变量的变化比较缓慢，在相同的控制作用下，时间常数大，被控变量的变化比较缓慢，此时过程比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较长；若时间常此时过程比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较长；若时间常数小，则被控变量的变化速度快，控制过程比较灵敏，不易控制。时数小，则被控变量的变化速度快，控制过程比较灵敏，不易控制。时间常数太大或太小，对控制上都不利。间常数太大或太小，对控制上都不利。扰动通道扰动通道过程控制 第二章过程控制 第二章3.3.滞后时间滞后时间对系统的影响对系统的影响 由于存在滞后，使控制作用落后于被控变量的变化，从而使被控变由于存在滞后，使控制作用落后于被控变量的变化，从而使