过程动态特性与建模

过程动态特性与建模内容回顾控制系统的设计目的单回路控制系统的组成、方块图描述法以及广义对象的物理意义第2页,共31页，2024年2月25日，星期天了解典型工业过程的动态特性类型；掌握简单被控过程的机理建模方法；掌握“广义对象”概念及其动态特性的典型测试方法（工程建模）。

重点：本章基本要求第3页,共31页，2024年2月25日，星期天单回路控制系统组成第4页,共31页，2024年2月25日，星期天“广义对象”的概念第5页,共31页，2024年2月25日，星期天“广义对象”的特点特点：（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。第6页,共31页，2024年2月25日，星期天“广义对象”的数学模型控制通道的传递函数扰动通道的传递函数第7页,共31页，2024年2月25日，星期天控制通道的增益对控制品质的影响1.Ko增加时，余差减小，最大偏差减小，控制作用增强。2.Ko增加时，系统稳定性变差。3.Ko是稳态特性，应在不同负荷、不同工作点保持恒定。4.控制系统稳定的前提是KoKc的乘积保持恒定。5.选择操纵变量时，应使Ko大、稳。第8页,共31页，2024年2月25日，星期天扰动通道的增益对控制品质的影响1.Kf常与干扰幅值F的乘积一起考虑。2.KfF的值大，则干扰对控制系统的影响也大。3.可通过增加前馈控制来减小或消除扰动的影响。第9页,共31页，2024年2月25日，星期天控制通道的时间常数对控制品质的影响1.常采用与时间常数之比来判别。2.当 比值固定,影响系统响应的快慢。第10页,共31页，2024年2月25日，星期天扰动通道的时间常数对控制品质的影响1.大，则扰动对输出的影响慢，有利于克服扰动的影响。第11页,共31页，2024年2月25日，星期天控制通道时滞的影响当检测变送环节存在时滞时，被控变量的变化不能及时传送到控制器；当被控对象存在时滞时，控制作用不能及时使被控变量变化；当执行器存在时滞时，控制器的信号不能及时引起操纵变量的变化。因此，开环传递函数存在时滞，使控制不及时，超调增大，并引起系统不稳定。第12页,共31页，2024年2月25日，星期天用τo/To反映时滞的相对影响。通常，τo/To≤0.3时，系统尚可用简单控制系统进行控制，当τo/To>0.5时，应采用其他控制方案对该类过程进行控制。因此，在设计和应用时应尽量减小时滞，有时可增大时间常数以减小τo/To。控制通道时滞的影响第13页,共31页，2024年2月25日，星期天时滞τf的存在不影响系统闭环极点的分布，因此，不影响系统稳定性。它仅表示扰动进入系统的时间先后，即不影响控制系统控制品质。扰动通道时滞的影响第14页,共31页，2024年2月25日，星期天深入了解工艺过程，选择能够反映工艺过程的被控变量；尽量选用易于测量且关系简单的直接质量指标作为被控变量；

被控变量的选择原则第15页,共31页，2024年2月25日，星期天选择对被控变量影响较大的操纵变量，即Ko尽量大；选择对被控变量有较快响应的操纵变量，即过程的τo/To应尽量小；过程的To/Tf

应尽量小；使过程的KfF尽量小；工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合。操纵变量的选择原则第16页,共31页，2024年2月25日，星期天被控对象动态建模方法

-----机理建模原理：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：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。第17页,共31页，2024年2月25日，星期天原理：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：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。被控对象动态建模方法

-----测试建模（工程建模）第18页,共31页，2024年2月25日，星期天对象机理建模举例1 —有自衡过程物料平衡方程：流体运动方程：第19页,共31页，2024年2月25日，星期天对象机理建模举例2—多容对象

物料平衡方程：流体运动方程：第20页,共31页，2024年2月25日，星期天机理建模举例3—非自衡过程物料平衡方程：第21页,共31页，2024年2月25日，星期天“广义对象”的测试建模第22页,共31页，2024年2月25日，星期天“广义对象”动态特性的阶跃响应测试法典型自衡工业对象的阶跃响应

对象的近似模型：增益为：[ymin,ymax]为CV的测量范围；[umin,umax]为MV的变化范围，对于阀位开度通常用0~100%表示。第23页,共31页，2024年2月25日，星期天“广义对象”动态特性的

矩形脉冲响应测试法第24页,共31页，2024年2月25日，星期天过程控制广义对象动态特性分类自衡过程（Self-RegulatingProcesses）

(1)无振荡的自衡过程

(2)有振荡的自衡过程非自衡过程（Non-Self-RegulatingProcesses）

(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第25页,共31页，2024年2月25日，星期天无振荡自衡过程模型第26页,共31页，2024年2月25日，星期天无振荡非自衡过程模型第27页,共31页，2024年2月25日，星期天具有反向特性的非自衡过程模型第28页,共31页，2024年2月25日，星期天工业过程控制对象的特点除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象；对象动态特性存在不同程度的纯迟延；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；被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。第29页,共31页，2024年2月25日，星期天本章小结1、工业过程的动态特性类型：自衡过程 (1)无振荡的自衡过程

(2)有振荡的自衡过程非自衡过程 (1)无振荡的非自衡过程

(2)有振荡的非自衡过程