[工学]过程控制系统 1.ppt

第二章 过程建模和 过程检测控制仪表 第一节 过程建模 教学要求 过程的数学模型表达式 过程的数学模型：是指过程在各输入量作用下，其相应输入量（被控量）变化函数关系的数学表达式 非参数模型：阶跃响应曲线、脉冲响应曲线、频率特性曲线 参数模型：微分方程、差分方程、传递函数、状态方程 参数模型 微分方程形式：(线性时间连续模型 ) 差分方程形式：(线性时间离散模型) 参数模型（续） 传递函数形式: (线性时间连续模型 ) 状态方程形式 被控过程数学模型的建立方法 机理分析法 试验法（响应曲线法、相关 分析法、最小二乘法） 混合法 机理分析法建模 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。 试验法建模（过程辨识） 试验法建模：是在实际的生产过程中根据过程输入、输出的实验数据，通过过程辨识与参数估计的方法建立被控过程的数学模型。 矩形脉冲响应曲线法 用矩形脉冲响应曲线的原因：当过程长时间处于较大扰动信号作用下时，被控量的变化幅度可能超出实际生产所允许的范围，这时可用矩形脉冲信号作为过程的输入信号，测出过程的矩形脉冲响应曲线（阶跃响应曲线由于测试时间较长而不合适）。 响应曲线变换原因：由于试验所得的阶跃响应曲线的参数估计较方便。 （2）在输入阶跃信号前，被控过程必须处于相对稳定的工作状态。 （3）相同的测试条件下重复做几次，减少干扰的影响。 阶跃响应曲线建模（阶跃响应法） （4）由于过程的非线性，应在阶跃信号作正、反方向变化时分别测取其响应曲线，以求取过程的真实特性。 常见的数学模型结构 由有自衡阶跃响应曲线确定模型参数 1、由阶跃响应曲线确定一阶环节的特性参数（无时延） 如何确定 由 由上式可得出作图 法求 ，如图所示： 自衡阶跃响应曲线确定模型参数 还可根据测试数据计算求得： 则有 由以上求得的 ，若有差异，则可取平均值。 自衡阶跃响应曲线确定模型参数 2、无时延S型飞升曲线方程 该过程可用两种结构模型加以近似： a）一阶惯性加时延环节，即 自衡阶跃响应曲线确定模型参数 切线法（作图法）： 由图可得： 如图所示。 自衡阶跃响应曲线确定模型参数 两点计算法： 选取不同的两点 则 可有 自衡阶跃响应曲线确定模型参数 设 取自然对数后求解： b）二阶无时延环节或 n 阶环节，即 自衡阶跃响应曲线确定模型参数 或 自衡阶跃响应曲线确定模型参数 由图可得： 近似解为： 自衡阶跃响应曲线确定模型参数 当 为其余值时，可用 近似， 其中 n的确定如下表所示： t1/t2 0.32 0.46 0.53 0.58 0.62 0.65 0.67 0.685 0.71 0.735 0.75 n 1 2 3 4 5 6 7 8 10 12 14 自衡阶跃响应曲线确定模型参数 3）无自衡过程的参数确定方法 有时延无自衡过程的阶跃响应曲线 无自衡阶跃响应曲线确定模型参数 * * 掌握简单被控过程的机理建模方法； 掌握试验法建模。 掌握最小二乘法建模。 熟悉过程变量检测及变送仪表 重点： 第一节 过程建模 基本概念 被控过程是指正在运行中的多种多样的被控制的生产工艺设备； 例：加热炉、锅炉、储罐、精馏塔、化学反应器 被控过程的数学模型是指过程在各输入量（包括控制量与扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数的数学表达式； 基本概念 单回路控制系统框图 过程通道：被控过程输入量与输出量之间的信号联系 控制通道：控制作用与被控量之间的信号联系 扰动通道：扰动作用与被控量之间的信号联系 调节器 过程 测量变送 + _ u(t) x(t) e(t) z(t) y(t) f1(t) fn(t) 第一节 过程建模 内部扰动（基本扰动）----通常是一个可控性良好的输入量选作为控制作用，即调节器输出量u(t)作为控制作用。基本扰动作用于闭合回路内，对系统的性能起决定作用。 外部扰动-----其他的输入量则称为扰动作用（f1（t）～fn（t））。外部扰动对过程控制也有很大影响。 输入量-----（u1(t)、、、、un(t)，f1(t)、、fn(t)） 输出量-----（y1(t)、y2(t)、、、yn(t)） 调节器 过程 测量变送 +