先进过程控制第二章.pptVIP

第二章 工业过程数学模型 2-1 概述 过程控制系统是根据被控对象的特性, 选配合适的过 程控制仪表所组成. 不同的对象具有不同的特性, 对它实 施的控制方案与选用的控制仪表就有所不同. 因此在确定 方案和选用仪表前, 先得对被控对象的特性要有充分的认 识. 而已设计装配好的系统, 由于现场使用时的复杂情况 也必须了解对象的动态特性, 才能有效地整定好系统的参 数, 获得满意的控制效果. 被控对象是指生产设备中进行的那些与温度﹑压力﹑ 流量﹑液位﹑物料成分与配比等相关的工艺过程, 所谓对 象特性就是这些过程的变化规律. 2-2工业过程动态数学模型概论 2-2-1动态数学模型的作用和要求 求取过程动态数学模型有两类途径： 一是过程动态学：依据过程内在机理来推导 二是系统辨识和参数估计：依据外部输入输出数据来求取。 对动态数学模型的要求：简单、正确可靠 过程动态数学模型的应用和要求：见教材P24表2-1 2-2-2动态数学模型的类型 线性时间连续模型：微分方程或传递函数 线性时间离散模型：差分方程或脉冲传递函数 2-3工业过程动态机理模型 2-3-1动态机理模型列写的一般步骤 １、根据过程工艺要求和控制系统要求，确定其输入量和输出量； ２、分析工作机理，由工业过程中所遵循的物理规律或化学规律，列写相应的方程； 　　常用依据有：物料平衡和能量平衡关系式： 　　 　　　单位时间内进入系统的物料量（或能量） 　　　　　－ 单位时间内由系统流出的物料量（或能量） 　　　　　=　系统内物料（或能量）蓄藏量的变化率 ３、消去中间变量，得到输出量与输入量之间的关系方程。 ４、线性化——切线法——增量形式 2-4 时域法辨识对象的动态特性 工业生产过程的控制对象, 一般均较复杂, 有时往往 无法根据对象的作用机理从理论得出正确的数学模型, 如 果忽略某些次要因素, 得到简化后的对象特性方程, 与实 际模型又相去甚远. 因此在工程中, 往往用实验的方法获 取被控对象的特性方程. 实验的方法的基本思路是: 在不 同对象中进行的物理或化学过程虽然相当复杂, 但仍可由 数理分析的方法, 归纳成几种典型的微分方程或传递函数 一般均可用一阶﹑二阶或三阶微分方程或传递函数来表示。 因此, 给对象输入一个信号, 并测出对象的响应曲线, 与 归纳的几种典型的微分方程或传递函数所对应的对象的响 应曲线进行比较, 以确定被辨识对象属于哪一类传递函数 , 并由响应曲线求出传递函数中的各个参数. 一﹑过程辨识与参数估计的时域法 各种辨识方法的比较可见教材P.32表2-3 二﹑由阶跃响应曲线求对象的传递函数 (一)无滞后一阶对象的传递函数 (二)具有纯滞后一阶对象的传递函数 若测得对象的阶跃响应曲线为下图所示, (1)切线法 在下图S形状的曲线上找出拐点B, 设实测的 曲线如下图所示, 对上两式联解得: 将 若分别由（4）式和（5）式计算的两组T与τ相差太大，则应选用二阶带滞后环节来近似。如果两组值都很接近，则可取平均值，即　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 二阶对象的两点法 二阶对象的传递函数为 阶跃响应曲线见图所示，在响应曲线上选择0.4y(∞)和0.8 y(∞)两个点，然后用近似公式计算 上式适用于0.32t1/t20.46。 当t1/t2=0.32时，为一阶环节，w0(s)=K/(T0s+1)，则 t1/t2=0.46时，为二阶等容环节， w0(s)=K/(T0s+1)2，则 当t1/t20.46时，表明过程是高于二阶的，但仍可用二阶环节来近似。 (四)n阶等容惯性对象的传递函数两点法: 如对象的阶跃响应曲线为下图所示, 三﹑矩形脉冲法测定对象的响应曲线 要了解生产过程中被控对象的特性获得其数学模型, 有时需在生产现场对被控对象的特性进行在线测试, 如 在对象的输入端加一阶跃信号, 测出对象的输出即被控 量的变化曲线, 采用上节介绍的各种方法求取数学模型. 但在生产进行过程中给被控对象长时间地加一阶跃扰动 信号, 会使被控量偏离希望保持的数值, 超出允许的最 大偏差值, 影响生产流程的正常进行. 因此在工程上一般采用矩形脉冲法. 即在对象的输入端 加一如下图所示的矩形脉冲信号. 矩形脉冲信号 可有下图所示的两个信号迭加而成. 由所测得的 曲线, 根据式(43)即可将其转换为