过程动态特性的数学描述及其经典测试法浙江大学.ppt

过程动态特性的描述与获取 戴连奎 浙江大学控制学院 2017/03/09 内 容 过程特性分类 过程特性机理建模法 过程特性的近似描述与测试建模 总结 一般的反馈控制系统 被控参数 ? 检测仪表 ? 常用执行机构 ? 掌握过程动态特性的重要性 不同的被控过程具有不同的特性 很难改变广义的被控过程（包括测量与执行机构） 很容易改变控制器参数 控制工程师能做的就是调整控制器使其适合该被控过程 对于某一被控过程，最适合其特性的控制器是最好的控制器。 被控过程的分类 自衡过程/稳定对象 (1) 单容过程 (2) 多容过程 (3) 传输滞后+多容过程 非自衡过程 例如：某些液位对象与某些放热反应器 被控过程举例#1 该被控过程是稳定的， 为什么 ? 被控过程举例#2 该被控过程是不稳定的， 为什么 ? 被控过程举例#3 该被控过程是否是稳定的， 为什么 ? 获取过程动态特性的途径 基于过程动态学的机理建模 根据某一被控过程的化学与物理机理，基于物料平衡、能量平衡与过程动力学等方程，来描述过程输入与输出之间的动态特性。 基于过程数据的测试建模 为获取过程动态特性，手动改变某一被控过程的输入，同时记录过程输入输出数据；并基于过程数据建立输入与输出之间动态模型。 机理建模举例#1 课堂讨论 （1）对于该液位控制系统，请指出其 CV、SP、MV、DVs，画出该系统的方块图 （2）建立该控制系统涉及的各部分的动态方程，以描述各变量之间的函数关系 （3）构建 Matlab/ Simu-link 仿真模型。 假设LC41为纯比例控制器；LT41为差压变送器；线性控制阀 机理建模举例#1 过程对象机理建模方法 （1）物料平衡与/或能量平衡方程； （2）过程动力学 即： 问题：输出流量Qo(t)受哪些因素影响？需建立动力学方程 机理建模举例2# 课堂讨论 试建立该被控过程的动态方程以描述各变量之间的函数关系，并构建Matlab/SimuLink 仿真模型。 实际工业过程的动态特性 绝大多数被控过程为自衡对象（除部分液位对象外），因此均可用上述特性参数描述。 所有被控过程均具有一定范围的纯滞后。 被控过程的阶跃响应经常是单调且缓慢的（响应时间通常为分级、部分流量对象为秒级） 由于被控过程的非线性，上述特性参数的取值通常与操作工况有关。 换热器温度控制系统 过程描述与信号流程图 ? 温度控制系统的信号流程图 气动调节阀的工作原理 功能： 根据阀头气压的大小，通过阀杆改变阀体中阀芯的位置，进而调节流经阀体的流体流量。 控制系统“广义对象”的概念 “广义对象” 包括控制回路中除控制器外的每一部分。它反映了控制器输出对CV测量输出的影响。 反馈控制回路的简化 被控过程与“广义对象” 为便于考虑控制器对控制系统的影响，将控制回路中控制器以外的部分看成一个整体（称为“广义对象”） 广义对象的输入输出？ 控制器输出与变送器输出信号的标准化？ 广义对象的模型近似？ 广义对象特性参数的物理意义 广义对象过程增益（Kp） 传感变送器输出（即广义对象输出）的稳态变化量与控制器输出（即广义对象输入）的稳态变化量之比值 过程时间常数（Tp） 过程纯滞后时间（τp） 对象特性的阶跃响应测试法 借助于阶跃响应试验，获取过程输入输出（CO、TO）动态响应数据。 (1) 将控制器改为“手动”操作模式； (2) 以阶跃方式，改变控制器输出； (3) 记录控制器输出与变送器输出响应数据。 基于过程测试数据，估计广义对象的特性参数 换热器温度控制系统的开环阶跃响应 基于阶跃响应的特性参数计算 基于阶跃响应的特性参数计算 假设温度变送器的检测量程为 100 ~ 300 ℃，即变送器输出变化为 4%。则广义对象的增益为 小 结 过程工业中被控对象动态特性的特点 过程特性机理建模法 过程特性测试建模法 “广义对象”的概念，与如何基于过程阶跃响应来建立输入与输出之间动态模型。 被控过程的特性参数 自衡过程的三参数描述法，掌握过程特性参数的物理意义与估计方法 问题讨论与练习 仿真模型参见 \ProcessModel\BuildControlledProcess.mdl 1. 对于非自衡被控过程，如何进行响应测试？ 2. 对于某一对象特性未知的被控过程，相应的阶跃响应如下列仿真曲线给出。试： （1）计算其广义对象的特性参数 K, T ,τ。 （2）复杂机理模型或广义对象简化模型的比较