第章过程特性建模.ppt

第三讲 过程特性建模 主讲：左 燕 Email: yzuo@hdu.edu.cn 被控过程（对象）特性建模 主要内容 机理分析法 实验测定法 过程数学模型的建立 建立数学模型的基本方法 主要内容 机理分析法 实验测定法 也称系统辨识或过程辨识 实验测定法 1. 阶跃扰动法测定对象的响应曲线 2. 脉冲方波扰动法测定对象的响应曲线 由过程阶跃响应曲线确定其数学模型 一般过程的模型结构： 1.无滞后一阶惯性环节的参数确定 描述过程的特性 2. 一阶惯性纯滞后环节参数确定 一阶惯性纯滞后环节参数确定 两点法（数值求解法） 基本思想：利用阶跃响应y(t)上两个点的数据来计算T和? 两点法（数值求解法） (1) 把输出响应y(t)转化为无量纲形式y*(t) 两点法 (1) 两点法 (2) 两点法 (3) 例题 例题 某水槽的阶跃响应实验数据如下，其中阶跃扰动量△u=20% 3. 二阶惯性系统 二阶惯性系统 当T2=0，该二阶系统变为一阶系统，有 当T2=T1，两个时间常数相等，有 当 对象传递函数需要用更高阶的传递函数拟合 n阶环节的参数确定 利用响应曲线拟合过程模型 例题 用响应曲线法辨识某液位被控过程，单位阶跃响应数据如下表所示，试用一阶环节（切线法或0.632法）和二阶环节（两点拟合法）近似法求过程的传递函数。 一阶环节 二阶环节 2点法 4. 非自平衡过程参数确定 小结 飞升曲线法 作图法（0.632法，切线法） 数值求解法 （2点法） 100 99 95 87 78 63 h/min 500 400 300 200 150 100 t/s 55 45 33 18 9.5 0 h/min 80 60 40 20 10 0 t/s 若该水位控制对象用一阶惯性环节近似，确定其增益K和时间常数T 需要辨识4个参数：静态增益K, 时间常数T1，T2, 滞后时间? 转化为无量纲形式的阶跃响应y*(t)： 利用阶跃响应上两个点的数据 (t1,y*(t1)) 和 (t2,y*(t2) 可确定参数T1和T2 如果有纯延时，则在二阶环节后加上 。 整理而得 取2点：y(t1)=0.4和y(t2)=0.8 对于二阶对象，有 其中： 0.685 0.67 0.65 0.62 0.58 0.53 0.46 0.32 8 7 6 5 4 3 2 1 n 19.6 19.2 18.4 16.6 14.4 11.8 8.8 600 500 400 300 250 180 140 5.4 3.6 2.0 0.8 0.2 0 h/min 100 80 60 40 20 0 t/s 由图可知 取2点 因而过程的传递函数可用二阶系统描述，代入公式 若模型形式为： 则 若模型形式为： 则 * 回忆：被控对象作用 被控对象 测量变送 控制器 执行器 被控变量 设定值 扰动 被控过程（对象）特性建模 过程动态数学模型定义： 是指表示过程的输出变量与输入变量间动态关系的数学描述。 过程的输入是控制作用u（t）或扰动作用d（t） 输出是被控变量 y（t）． 过程数学模型是研究系统行为的基础。对一些比较简单的控制系统，掌握过程的K、T、τ数据就可以了。但对于较复杂过程，若需要进行的定性分析、定量计算或应用现代控制理论的场合，就需要建立精确可靠的数学模型。 用数学方程式来表示，如微分方程（差分方程）、传递函数、状态空间表达式等。本节所涉及的模型均为用微分方程描述的线性定常动态模型。 非参数模型 用曲性或数据表格来表示，如阶跃响应曲线、脉冲响应曲线和 频率特性曲线 特点：形象、清晰，易看出定性特性，但缺乏数学方程的解析 性质，一般由试验直接获取。 参数模型 数学模型类型 机理分析法 通过对过程内部运动机理的分析，根据其物理或化学变化规律，在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后得到过程特性方程，其表现形式往往是微分方程或代数方程。这种方法完全依赖于足够的先验知识，所得到的模型称为机理模型。 由过程的输入输出数据确定模型的结构和参数。这种方法不需要过程的先验知识，把过程看作一个黑箱。但该方法必须在已经建立了过程后才能进行，而且得到的结果无法类推至设备尺寸和型号不同的情况。 实验测试法 在需要建立数学模型的被控过程上，人为的施加一个扰动作用，然后用仪表测量并纪录被控变量随时间变化的曲线，这条曲线即是被控过程的特性曲线。将曲线进行分析、处理，就可得到描述过程特性的数学表达式。 测试对象动态特性的实验方法: 时域法、频域法、统计方法 常用的测试方法：1.阶跃信号法（飞升曲线法） 2.脉冲方波响应曲线法 ⑴ 合理选择阶跃信号幅