工业过程控制工程课件第三章_过程动态特性与建模

第三章过程动态特性与建模第三章过程动态特性与建模本章的主要内容:3.1典型被控过程3.2系统被控变量和操纵变量的选择33广义对象各环节特性对控制品质3.3广义对象各环节特性对控制品质的影响3.4过程建模1第三章过程动态特性与建模过程动态特性与建模过程动态特性的重要性P20过程动态特性的重要性：P20过程动态特性的重要性是不难理解的，例如，知道有些被控对象很容易控制而有些又很难控制，为什么会有此差别？为什些又很难控制，为什么会有此差别？为什么有些控制过程进行的很快而有些又进行的很慢这些问题的关键都在于被控对象的很慢，这些问题的关键都在于被控对象本身，在于它们的动态特性。2第三章过程动态特性与建模过程动态特性与建模现象容易控制快现象：容易控制快被控对象控制过程难以控制慢难以控制慢根源：被控对象的动态特性重要性：全面了解和掌握被控对象动态特性，才能合理设计控制方案选择合适的自动化仪表理设计控制方案，选择合适的自动化仪表，进行控制器参数整定。特别是要设计高质量的，新型复杂的控制方案，更加需要深入研3的新型复杂的控制方案更加需要深入研究被控对象的动态特性。第三章过程动态特性与建模过程动态特性与建模动态特性的描述P20动态特性的描述：P20数学模型：要精确的描述过程的动态行为离不开数学模型建模的基本方法不开数学模型。建模的基本方法有机理分析和辨识法。有时还采用两种方法相结合的途径。机理分析法建模的方法辨识法两者相结合4两者相结合第三章过程动态特性与建模3.1典型被控过程实际生产过程（复杂）实际生产过程（复杂）纯滞后线性化处理单容组成双容双容下面分别讨论六种实际生产过程的特下面分别讨论六种实际生产过程的特性和实例。5第三章过程动态特性与建模3.1典型被控过程本节的主要内容:3.1.1纯滞后过程（补充）3.1.2自衡非振荡过程P20313无自衡的非振荡过程P213.1.3无自衡的非振荡过程P213.1.4有自衡的振荡过程P213.1.5具有反向特性的过程P21316不稳定过程63.1.6不稳定过程第三章过程动态特性与建模3.1.1纯滞后过程概念:概念:纯滞后过程：输入变量改变后，输出量并不立即改变而要经过段时间才反映出来的过立即改变，而要经过一段时间才反映出来的过程。纯滞后输入变量变化后看不到系统对纯滞后：输入变量变化后，看不到系统对其响应的这段时间（τ）亦称传输滞后。纯滞后环节在传送输入信号时推迟了τ时间（并不改变信号的大小和方向）7（并不改变信号的大小和方向）。第三章过程动态特性与建模3.1.1纯滞后过程纯滞后产生的原因纯滞后产生的原因：1）由于信号的传输和测量所致（当物质或能量沿着一条特定的路径传输时，就会出现纯滞后）就会出现纯滞后）2）对象本身是分布参数过程或高阶过程：响应曲线的起始部分变化很慢响应曲线的起始部分变化很慢纯滞后在工业生产中常常出现，但是8很少单独出现。第三章过程动态特性与建模3.1.1纯滞后过程实例双水槽液位控制系统实例：双水槽液位控制系统示意图：（另画）水流通过较长的通道才能进入水槽中。水流通过较长的通道才能进入水槽中。阀门开度变化引起流量Q1变化时，需经过段传输时间才能使Q*产生变化从而使水一段传输时间才能使Q*产生变化，从而使水槽液位H变化。9第三章过程动态特性与建模3.1.1纯滞后过程10双水槽液位控制系统示意图第三章过程动态特性与建模3.1.1纯滞后过程由实例双水槽液位控制系统由实例双水槽液位控制系统可见：纯滞后环节对信号的相应都是将它推迟一纯滞后环节对信号的相应都是将它推迟段时间，其大小等于纯滞后时间τ。11第三章过程动态特性与建模3.1.1纯滞后过程纯滞后环节的传递函数纯滞后环节的传递函数：seG(s)相应频率特性：eG(s)相应频率特性：je)G(j动静态增益：均为1相角大小Ф12相角大小：Ф=-ωτ第三章过程动态特性与建模3.1.2自衡非振荡过程自衡性（自平衡能力）自衡性（自平衡能力）：对象在扰动作用下，平衡状态被破对象在扰动作用下平衡状态被破坏后，无需外加任何控制作用，过程能够自发地趋于新的平衡状态的性质称够自发地趋于新的平衡状态的性质，称为自衡性。实例：P20图31-113实例：P20图3.1-1第三章过程动态特性与建模3.1.2自衡非振荡过程实例P20图311实例：P20图3.1-1如图所示液体储罐，系统原来处于平衡状态。在进水量阶跃增加后，进水量超过出水量，过程原来的平衡状态将被打破，液位上升；但随着液位上升，出水阀前的静压增加，出水量也将增加；这样，液位的上升速加，出水量也将增加；这样，液位的上升速度将逐步变慢，昀终建立新的平衡，液位达到新的稳态值。14到新的稳态值。第三章过程动态特性与建模3.1.2自衡非振荡过程实例液位过程实例：液位过程原理示意图：P20图3.1-1原示图图响应曲线：P20图3.1-2在阶跃作用下，被控变量不振荡，逐步地向新的稳态值靠近。在过程控制中，自衡非振荡过程较多。15第三章过程动态特性与建模3.1.2自衡非振荡过程16第三章过程动态特性与建模3.1.2自衡非振荡过程传递函数P20传递函数P20Kes-一阶惯性加纯滞后（3.1-1）1TsKesGp）（二阶加纯滞后（3.1-2）1)s1)(Ts(TKesG21s-p）（多阶加纯滞后（3.1-3）ns-p1)(TsKesG）（171)(Ts第三章过程动态特性与建模3.1.3无自衡的非振荡过程实例积分液位过程P21图313实例:积分液位过程P21图3.1-3图中所示液位过程，流出侧（出水）用泵将液体输出（流出量与液位无关）水的将液体输出（流出量Q2与液位H无关）。水的静压变化相对于泵的压头可以近似忽略，因此泵转速不变时出水量恒定泵转速不变时，出水量恒定。当进水量稍有变化，如果不依靠外加的控制作用，则储罐内的液体或者溢满或者抽干，不能重新达到新的平衡状态。18第三章过程动态特性与建模3.1.3无自衡的非振荡过程19第三章过程动态特性与建模3.1.3无自衡的非振荡过程大多数液位对象都无自平衡能力当流入量大多数液位对象都无自平衡能力，当流入量与流出量稍有差异时，如果不依靠外加的控制作用储罐内的液体或者溢满或者被抽干不作用，储罐内的液体或者溢满或者被抽干，不能重新达到新的平衡状态，这种特性称为无自衡衡。概念：对象在扰动作用下，平衡状态被破坏后，需要外加控制作用才能使过程趋于新的平衡需要外加控制作用，才能使过程趋于新的平衡状态的性质，称为无自衡性。20第三章过程动态特性与建模3.1.3无自衡的非振荡过程振荡曲线P21图314振荡曲线:P21图3.1-4传递函数：K积分加纯滞后（3.1-4）s-eTsKsG）（二阶积分加纯滞后（3.1-5）s-e1)s(TsKsG）（21第三章过程动态特性与建模3.1.3无自衡的非振荡过程22第三章过程动态特性与建模3.1.4有自衡的振荡过程概念在阶跃作用下c（t）会上下振荡概念：在阶跃作用下，c（t）会上下振荡。大多数是衰减振荡，昀后趋于新的稳态值，称为有自衡的振荡过程。振荡曲线:P21图3.1-5振荡曲线:P21图3.15传递函数：（3.1-6）Kes-（0ζ1）1)Ts2s(TKesG22p）（23实例：秋千（过程控制少见，控制较困难）第三章过程动态特性与建模3.1.4有自衡的振荡过程24第三章过程动态特性与建模3.1.5具有反向特性的过程概念在阶跃的作用下c（t）先降后升或概念：在阶跃的作用下，c（t）先降后升，或先升后降，过程响应曲线在开始的一段时间内变化方向与以后的变化方向相反。实例：锅炉汽包水位控制，煮面条（水饺等）实例：锅炉汽包水位控制，煮面条（水饺等）方框图:P22图3.1-6(a)（图中有错）时间响应曲线:P22图316(b)时间响应曲线:P22图3.1-6(b)y（t）=y1(t)+y2(t)25第三章过程动态特性与建模3.1.5具有反向特性的过程26第三章过程动态特性与建模3.1.5具有反向特性的过程原因P22原因：P22①冷水的增加引起汽包内水的沸腾突然减弱，水中气泡迅速减少，导致水位下降。设由此导致的液位响应为一阶惯性特性导致的液位响应为阶惯性特性。KsG1）（（3.1-7）1sTsG111）（27第三章过程动态特性与建模3.1.5具有反向特性的过程②在燃料供应恒定的情况下假定蒸汽量也基②在燃料供应恒定的情况下，假定蒸汽量也基本恒定，则液位随进水量的增加而增加，并呈积分响应。K（3.1-8）sKsG22）（s28第三章过程动态特性与建模3.1.5具有反向特性的过程③两种相反作用的结果总特性为③两种相反作用的结果，总特性为K)KT(KKK1)ss(TKs)KT(K1sTKsKsG211212）（（319）1)ss(T1sTs11（3.1-9）29第三章过程动态特性与建模3.1.5具有反向特性的过程特点特点：当K2T1K1时，在响应初期第二项1sTK11占主导地位，过程将出现反向响应。若本条件不成立则过程不会出现反向响应1不成立，则过程不会出现反向响应。当K2T1K1时，过程出现一个正的零点，其值为0)T(KK2Ks30)T(K112K第三章过程动态特性与建模3.1.5具有反向特性的过程特点P22特点：P22呈反向响应的过程，它的传函总具有一个正的零点作为一般的情况若呈反向响应个正的零点。作为一般的情况，若呈反向响应的过程传递函数用下式表示(分母m-n）110111-n1n0111-m1-mmmasasasabsbsbsb)s(G则传递函数有正实部的零点，属于非昀小相位过程所以反向响应又称非昀小相位的响011-nnasasasa31相位过程，所以反向响应又称非昀小相位的响应，较难控制，需特殊处理。第三章过程动态特性与建模3.1.6不稳定过程稳定过程和不稳定过程比较稳定过程和不稳定过程比较：稳定过程：传递函数的极点均位于根平面的传左侧；不稳定过程：传递函数的极点均位于根平面不稳定过程：传递函数的极点均位于根平面的右侧，主要出现在化学反应过程中，热效应强烈。32第三章过程动态特性与建模3.1.6不稳定过程稳定过程的例子吸热反应稳定过程的例子：吸热反应应速度加快回降吸热量增加反应速度加快TT回降吸热量增加T对T的变化，内部存在负反馈，整个过程是稳定的。（自衡对象）33第三章过程动态特性与建模3.1.6不稳定过程不稳定过程的实例不稳定过程的实例：放热反应：反应速度加快TT放热量增加反应速度加快对T的变化，内部存在正反馈例：高分子聚合反应为放热反应。若不采取适当的除热措施，则传递的极34若不采取适当的除热措施，则传递的极点会处于根平面右半侧，形成不稳定过程。第三章过程动态特性与建模3.1.6不稳定过程例1例1：不稳定过程K不稳定过程1sT)s(G|K|、|T|总为正，过程的极点为1/|T|，||||程极点||具有正的实部。35第三章过程动态特性与建模3.1.6不稳定过程例2例2：稳定过程K)(G稳定过程1sT)s(G|K|、|T|总为正，过程的极点为-1/|T|，||||程极点||具有负的实部。36第三章过程动态特性与建模3.1.6不稳定过程比较：1sTK)s(G1sTK与的频率特性1sTK)s(G幅频特性相同，相角不同37第三章过程动态特性与建模3.2系统被控变量和操纵变量的选择概念概念：被控变量:F例1流量调节例1：流量调节操纵变量:μ(开度)被控变量:T(炉温)例2：电阻炉温度控制系统操纵变量:Ⅰ(电流)38操纵变量Ⅰ(电流)第三章过程动态特性与建模3.2系统被控变量和操纵变量的选择重要性P22重要性：P22被控变量的选择是十分重要的，它是决定控制系统有无价值的关键任何一个控制系统总是希系统有无价值的关键。任何个控制系统，总是希望能够在稳定生产操作、增加产品产量、提高产品质量以及改善劳动条件等方面发挥作用，如果被控质改善劳动条件等方面发挥作用如果被控变量选择不当，配备再好的自动化