过程控制装置及系统设计期末PPT课件

1、第二章被控制对象动态特性及实验测量，李文峰，2、过程控制单元和系统设计、2，2020/7/10、培训目标(回顾)、本章应理解过程控制曹征对象的特性，包括对象特性说明和建模，以及各种特性的实验测量。了解机制建模方法、系统识别建模方法、单容量对象动态特性和双容量对象特性等。在实验测量方法中，要了解有关时域方法、频域方法的基础知识。(拉普拉斯变换研究：定义、单位脉冲、单位步长、单位斜坡函数；微分特性，积分特性)，3，过程控制单元和系统设计，3，2020/7/10，2.1曹征对象动态特性定义(示例)，一阶系统动态特性和基本参数是用一阶微分方程表示过程输出(状态)变量的系统，称为一阶系统。如果将C(t)

2、设置为输出变量，并且通用格式：自下而上c(t)和r(t)是相对于正常状态值的偏差变量，则可以得到c(0)=0，r(0)=0，第一过程的传递函数是输出变量的零阶导数系数为0时纯容量或纯积分过程的传递，4，控制过程控制单元和系统设计，4，2020/7/10，2.1对象动态特性定义。纯容量过程的动态响应在分析过程的动态响应时，通常研究过程输入变量更改步骤时输出变量的响应。如果输入变量的单位步数发生变化，则可以很容易地获得输入变量的拉普拉斯变换，因此，输出变量更改关系可以由下而上地知道(拉普拉斯反向变换)。也就是说，纯容量过程没有自身的平衡。5，过程控制单元和系统设计，5，2020/7/10，2.1定

3、义曹征对象动态特性，主系统的动态响应输入变量值为a的步长更改时，具有输出响应的拉普拉斯变换是输出变量更改关系，6，过程控制单元和系统设计，定义6，2020/7/10，2.1曹征对象动态特性，第一系统动态响应的特性： (1)经过一定时间后，第一延迟系统可以达到第一延迟系统具有自身平衡的新的正常状态。(2) t=0时，响应曲线的斜率/p假定进程状态的更改保持初始更改率，在值经过等于时间常数的时间后，进程状态可能达到新的正常状态值。系统的时间常数越小，过程达到新正常状态所需的时间就越短。(3)输出变量的新稳态值经过无限时间后，对于相同的输入阶段变化量，稳态增益越小，结果稳态值的变化量越小。(4)输入

4、改变阶段后，需要一定的时间才能获得新的正常状态值，该系统具有延迟特性。7，过程控制单元和系统设计，7，2020/7/10，2.1曹征对象动态特性定义，二次系统动态特性与基本参数相似，过程的输出(状态)变量被描述为二次微分方程的系统称为二次系统，标准形式如下：如果存在拉普拉斯变换，则二次系统的传递函数为，8，过程控制单元和系统设计，8，2020/7/10，2.1与第一系统一样，研究第二系统动态响应和输入单元步长变化。输入单位阶段时，系统的拉普拉斯变换输出该系统的动态响应的情况较为复杂，分为三个方案。1.超阻尼响应时，二次系统响应为超阻尼，系统响应为s形，动态响应结果为(cosh，sinh去除h)

5、，9，流程控制单元和系统设计，9，2020/7/10，2.1曹征对象动态特性定义(每个含义)，2。在临界阻尼响应中，二次系统响应是临界阻尼，动态响应结果比临界阻尼系统快，达到新稳态值所需的时间比制动系统短。3.欠阻尼响应时的二次系统响应是欠阻尼响应，动态响应在此处，10，过程控制单元和系统设计，10，2020/7/10，2.1是对象动态特性定义(复合，需要时域频域)，父系统动态特性过程传递函数分母多项式是N(N2)子多项式的系统，也称为父系统。典型的无逆影响n个插槽系列系统的总传递函数是相应的多容量系列系统(而不是l)，具有以下响应特性：(1)系统都有阻尼响应特性，响应曲线为s形。(2)连接的

6、容量越大，阻尼越大，响应越慢，例如没有反向影响或具有反向效果的串行系统。(3)在容量相同的串行系统中，反向影响增加了系统响应的阻尼，因此响应相对较慢。11，过程控制单元和系统设计，11，2020/7/10，2.2曹征对象的数学描述，控制系统的数学描述在控制系统研究中占有非常重要的地位，要模拟系统，必须先了解系统的数学描述才能模拟系统。同样，只有理解了系统的说明，才能在此基础上设计合适的控制器，系统响应得到预期的结果，实现实际工程目标。系统说明通常采用数学说明形式，例如微分方程、传递函数和状态方程。12，过程控制单元和系统设计，12，2020/7/10，2.2曹征对象的数学描述，微分方程描述通常

7、使用物理定律(例如机械、电力、力学、热)得到控制系统的动态方程，即线性常数连续系统的常数系数线性微分方程。从输入到依次写入控制系统各元件的微分方程，并取所选系统的输入量输出量，将各元件的微分方程捆绑起来，得到的输入量和输出量之间的关系是控制系统的微分方程。13，过程控制单元和系统设计，13，2020/7/10，2.2曹征对象的数学描述，传递函数描述传递函数定义了0初始条件下系统输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换的比率。传递函数描述是曹征对象描述(也称为系统的外部描述)中更一般的方法，假设线性常数系统由n阶线性微分方程描述，那么在0初始条件下，微分方程的拉普拉斯变换由定义来定义线性常数系

8、统传递函数，14，过程控制单元和系统设计，14，2020/7/10，2.2曹征对象的数学描述，与状态方程描述传递函数相反的描述方法是系统内部描述的状态方程形式。其中a是系统矩阵，b是输入矩阵，c是输出矩阵，d是前馈矩阵。15，过程控制单元和系统设计，15，2020/7/10，2.2曹征对象的数学描述，0，极增益描述0极描述实际上是传递函数描述的另一种表示。这种解释可以分解原系统传递函数的分子，分母，得到系统的零点和极点表示。说明是k 0极增益。16，过程控制单元和系统设计，16，2020/7/10，2.2曹征对象的数学描述，部分分数描述的最后形式是部分分数格式，17，过程控制单元和系统设计，1

9、7，2020/7/10，2.3数学描述的转换，数学描述转换函数的各种数学描述不是独立的，而是相互关联的。MATLAB可以促进快速实现过程数学描述的相互转换：residue:传递函数描述和部分分数描述交换ss2tf:状态空间描述转换为传递函数描述ss2zp:状态空间描述零极点增益转换描述tf2ss:转换为传递函数描述状态空间描述tf2zp:传递函数描述零极点增益描述zp2ss: 0，18，过程控制单元和系统设计，18，2020/7/10，19，过程控制单元和系统设计，19，2020/7/10，2.4数学模型构建方法，数学模型特征模型的保真度和可行性模型的渐近模型转移性模型的条带理性模型的非重构，

10、20，过程控制单元和系统设计，如何设置20，2020/7/10，2.4数学模型，模型的局限性是模型实际对象简化，理想化的产物，因此建模结果得出的结论的共性和正确性只是相对的，近似的。包括对数学家体发展水平的限制在内的认识能力和科学技术使得很难用实用价值获得数学模型，有些领域只有利用其他手段才能知道这种问题(炼铁专家系统)，有些领域没有发展到用建模方式寻找正定律的阶段。 21，要深入了解过程控制单元和系统设计，如何建立21，2020/7/10，2.4数学模型，以及如何建立数学模型，必须考虑建模活动的信息源目标和目的。在同一物理系统中经常存在多个研究对象，每个研究对象的建模过程方向都不同。在研究过

11、程中，将实际系统分为活动部分和活动部分(由输入变量或边界条件表示)进行。先验知识：由于相同或相关的过程可能是建模者为了类似的目的进行了分析，因此建模通常是在现有相似模型的基础上开发的，以前的研究结果可能是以后研究者解决特定问题的研究起点。实验数据：所需的定量观测是解决建模的另一种方法，因为可以获得为建模提供数据支持的特定实验数据。22，通过过程控制单元和系统设计，22，2020/7/10，2.4数学模型的设置方法，建模信息源，恒定方法，可以建立过程的数学模型。建立数学模型的方法主要是机构推演系统识别混合建模方法，23，过程控制单元和系统设计，23，2020/7/10，2.4数学模型的创建方法，

12、机构建模方法，研究对象的物理化学性质和运动规律可以更真实地反映对象特性，因此，以此为基础的建模统称为机构推演。能量平衡关系材料平衡关系动量平衡关系化学反应规律电路电子原理也是不允许实验的情况下优选的建模方法。此方法的缺点是系统的集中参数和线性假设，因此建模模型有一定的局限性。24，过程控制单元和系统设计，24，2020/7/10，2.4数学模型的建立方法，系统识别系统识别方法以黑盒模型为研究对象，在输入其他信号时研究对象的输出响应信号和输入激励信号之间的关系，建立研究对象的数学模型。阶梯摄动法矩形脉冲周期摄动法在线辨识。25，过程控制单元和系统设计，25，2020/7/10，2.4数学模型建立

13、方法，混合建模方法在实际应用中两种方法交替混合。开始为新问题创建模型时，一般步骤是首先创建相对简单的机构模型，对其进行初步理解和研究。然后，建立更完善的数学模型，进行更全面、更准确的研究。一般经验表明，最好互补和改进机构建模和系统标识建模。，26，过程控制单元和系统设计，26，2020/7/10，2.5单容量水位对象的动态特性和数学描述，以单容量水箱水位控制对象为例，分析动态特性和数学模型。(假设控制阀2是固定的)图形中的每个参数定义如下：Q1是输入流量。Q10是输入正常状态流量。表示物理量的增加。Q2是输出流量，Q20是输出正常状态流量，h是正常状态水位。v水槽中储存的水的体积；a是水槽的剖

14、面。27，过程控制单元和系统设计，27，2020/7/10，2.5单容量水位对象的动态特性和数学描述，材料平衡关系已知的稳态方程是流体储量的变化率，与调整后水位h的关系被清除。Q1仅由调节阀1的开口度确定。28，过程控制单元和系统设计，28，2020/7/10，2.5单容量水位对象的动态特性和数学描述假设Q1的变化量Q1是控制阀1的变化量1的Ku倍。也就是说，输出水流Q2随水位变化，而Rs是液体阻力，近似值是常量。变量进一步结合额定值和增量(第二个是编号)、29、过程控制单元和系统设计、29，2020/7/10，2.5单容量水位对象的动态特性和数学说明(A)、增量表示的微分方程(F=A)，构成

15、拉普拉斯变换的标准表达式的单容量水箱水位曹征对象的，30，过程控制单元和系统设计，30，2020/7/10，2.5单容量水位对象的动态特性和数学说明，自平衡能力对象的动态特性符合以下条件：在正常状态下，Q1=Q2，Q1突然增加，液体水平上升，Q2也逐渐增加。如果Q1=Q2，则新平衡设置在调整级别高度的新级别高度。自平衡特性有助于控制，在某些情况下，使用简单的控制系统，无需设置控制系统即可获得良好的控制质量。31，过程控制单元和系统设计，31，2020/7/10，2.5单容量水位对象的动态特性和数学描述，在实际生产没有自平衡能力的对象的过程中，没有自平衡特性的控制对象也存在泵出口流量Q2不随液体

16、水平变化的广泛存在。动态说明方程是，如果水槽流入突然发生阶段变化，则水平会随着时间的推移而上升，直到水槽顶部溢出为止。这不是自我平衡特性。32，过程控制单元和系统设计，32，2020/7/10，2.6多容量对象的特性，容量延迟，纯延迟，双容量对象的特性双容量对象是第二个水箱水位，数学描述微分方程，33，过程控制单元和系统设计，33，2020/7/10，2.6多容量对象的特性，容量延迟，纯滞后，自平衡响应输入变量Q1，输出变量Q2，水箱1和水箱2的双容量对象的动态特性取决于材料平衡关系。此双重容量物件的动态性质为、34，过程控制单元和系统设计，34，2020/7/10，2.6多容量对象的特性，容

17、量延迟，纯滞后，对双容量对象没有自平衡响应(只有坦克2没有自平衡)，坦克1和坦克2分别根据坦克1和坦克2的特性，很容易获得双容量对象特性，35，过程控制单元和系统设计，35，2020/7/10，2.6多容量对象的特性，容量延迟，纯滞后，双容量对象的扰动特性平衡时输入出现扰动后，对于坦克1和坦克2:扰动发生后清除的特性为，36，过程控制单元和系统设计，36，2020/7/10，2.6多容量对象的特性，容量延迟，纯滞后，纯滞后工业生产过程中最常见且最难控制的对象之一是纯滞后。为了解决纯滞后对象控制问题，业界常用的Smith预测器和PID调节器及其改进算法控制纯滞后对象。Smith预测器具有较高的控