中级工技能鉴定CAD模块理论试卷B

河南科技大学机电工程学院2过程控制系统建模方法河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法过程控制系统建模概念2.1机理建模方法2.2测试建模方法2.3河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法内容建立被控对象的数学模型可分为机理法和测试法两大类河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法第一节介绍建模的概念、条件机理法建模、测试法建模两种方法的基本思路。第二节推导了建模的过程，机理建模的方法。掌握测试法建模的原理和推导步骤。第三节四种测试建模的方法、特点测试动态特性的时域法、频域法统计相关法和最小二乘法。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法控制系统的设计任务是依据被控对象的数学模型，按照控制要求来设计控制器。建立被控对象的数学模型，可分为机理法和测试法两类。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法过程控制系统建模概念2.1机理建模方法2.2测试建模方法2.3河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法建模概念2.1.1过程控制系统建模的两个基本方法42.1.2河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法建模概念2.1.1过程控制系统建模的两个基本方法42.1.2河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法三类主要的信息源：1、要确定明确的输入量与输出量。通常选一个可控性良好，对输出量影响最大的一个输入信号作为输入量，其余的输入信号则为干扰量。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法2、要有先验知识在建模中，被控对象内部所进行的物理、化学过程符合已经发现的许多定理、原理及模型。在建模中必须掌握建模对象所要用到的先验知识。3、试验数据过程的信息能通过对对象的试验与测量而获得。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法被控对象数学模型的要求:要求它准确可靠。在线运用的数学模型要求实时性。在建立数学模型时，要抓住主要因素，忽略次要因素，需要做很多近似处理如：线性化、分布参数系统和模型降阶处理等。用于控制的数学模型并不要求非常准确。闭环控制本身具有一定的鲁棒性，模型的误差可以视为干扰，闭环控制在某种程度上具有自动消除干扰影响的能力。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法建模概念2.1.1过程控制系统建模的两个基本方法42.1.2河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法1、机理法建模根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程如:物质平衡方程；能量平衡方程；动量平衡方程以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程，物性参数方程和某些设备的特性方程等，从中获得所需的数学模型。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法用机理法建模的首要条件是生产过程的机理必须为人们充分掌握，可以比较确切的加以数学描述。模型应该尽量简单，保证达到合理的精度。用机理法建模时，出现模型中某些参数难以确定的情况或用机理法建模太烦琐。可以用测试的方法来建模。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法2、测试法建模根据工业过程的输入和输出的实测数据进行数学处理后得到的模型。特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质，不需要深入掌握其内部机理。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法为了获得动态特性，必须使被研究的过程处于被激励的状态，施加一个阶跃扰动或脉冲扰动等。用测试法建模一般比用机理法建模要简单和省力，如果两者都能达到同样的目的，一般都采用测试法建模。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法测试法建模又可分为经典辨识法和现代辨识法两大类。经典辨识法只需对少量的测试数据进行简单的数学处理，现代辨识法可以消除测试数据中的偶然性误差即噪声的影响，需要处理大量的测试数据。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法过程控制系统建模概念2.1机理建模方法2.2测试建模方法2.3河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法1、单容水槽水流入量Q1由调节阀开度μ加以控制，流出量Q0则由用户根据需要通过负载阀来改变。被调量为水位h，它反映水的流入与流出之间的平衡关系。分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法单容水槽1—控制阀门2—水槽3—负载阀(液阻R)河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法各量定义如下：Qi——输入水流量的稳态值(m3／s)；ΔQi——输入水流量的增量(m3／s)；Qo——输出水流量的稳态值(m3／s)；ΔQo——输出水流量的增量(m3／s)；h——液位的高度(m)；ho——液位的稳态值(m)；Δh——液位的增量(m)；μ——调节阀的开度(m2)；河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法设A为液槽横截面积(m2)，R为流出侧负载阀门的液阻(s／m2)。根据物料平衡关系，在正常工作状态下，初始时刻处于平衡状态Qi=Qo，h＝ho，当进水阀开度发生阶跃变化Δμ时，液位发生变化。在流出侧负载阀开度不变的情况下，液位的变化将使流出量改变。流入量与流出量之差等于液槽液体贮存量的变化率,即:河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法Δ-Δ==AΔ-Δ==AiQ0QdtdVdthdΔQi是由控制阀开度变化Δμ引起的，当阀前后压差不变时，ΔQi与Δμ成正比关系，即ΔQi=ΔμK河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法为阀门流量系数(m／s)。流出量与液位高度的关系为Q==KK0Agh2h•(2—3)河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法0Qh式(2—3)是一个非线性关系，如图2.3所示，在平衡点(h0、Q0)附近进行线性化，得R=(2—4)河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法液位与流出量的关系河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法将式(2—4)、(2—2)代入式(2—1)，可得RA+Δh=RΔμ(2-5)dthdK河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法令T＝RA(s)，K＝R(1／m),则上式可写为T+Δh=KΔμ(2-6)Kdthd可得液位变化时控制阀开度改变量的传递函数为G(s)==(2-7))()(sUsH1TSK河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法2、电加热炉被控参数为炉内温度T,控制量为电热丝两端电压u加热丝质量为M，比热为C，传热系数为H，传热面积为A,未加温前炉内温度为T0,加温后的温度为T河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法根据热力学知识，有MC+HA(T-T0)=Qi(2-8)dtTTd)(0河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法式中:Qi为单位时间内电热丝产生的热量。Qi与外加电压u的平方成比例，故Qi与u是非线性关系。在平衡点(Qo、U0)附近进行线性化，得＝uKuQi河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法于是可得式(2-8)对应的增量微分方程MC+HAΔT=Δu(2-9)令τ=K=则上式可写为Τ+ΔT=KΔu(2-10)dtTduKHAMCHAKudtTd河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法可得炉内温度变化量对控制电压变化量之间的传递函数为G(s)==(2-11))()(susT1sK河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法3、压力对象压力对象如图所示.河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法RC+Δ=Δdtpd00pip河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法可得容器压力变化量与进气压力变化量之间的传递函数如下：G(s)==)()(0spspi11RCS河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法单容被控对象动态特性都是一阶惯性环节河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法具有纯延迟的单容对象特性有一储水槽调节阀1距水槽有一段较长的距离。调节阀1开度变化所引起的流入量变化ΔQi，需要经过一段传输时间T0，才能对水槽液位产生影响，T0是纯延迟时间。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法纯延迟现象产生的原因是由于扰动发生的地点与测定被控参数位置有一定距离。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法T+Δh=KΔμ有纯延迟的单容对象的微分方程为T+Δh=KΔu(t-)(2-17)dthd0dthd河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法对应的传递函数为G(s)==(2-18)与式（2-7）相比多了延迟因子。)()(sUsHseTsK01se0河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法无自平衡能力的单容对象特性用惯性环节描述的单容对象，在被控量受到扰动后，原来的平衡关系遭到破坏，但随着被调量的变化不平衡越来越小，被调量能够自动地稳定在新的平衡点上，这种特性称为自平衡。具有自平衡特性的被控对象称为自平衡过程。这是一种稳定的过程。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法另有一些被控对象，其流出端是用容积式的计量泵排出恒定的流量Q，其值与液位的高低无关。当流入端的流量发生阶跃扰动时，原来平衡关系被破坏，液位发生变化。由于流出端流量保持不变，则液位或者上升，直至水溢出液槽；或者下降，直到液槽里的水被抽完为止。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法当这种被调量的平衡关系破坏后，不平衡不因被调量的变化而改变，被调量而以固定的速度一直变化下去而不会自动地在新的水平上恢复平衡。这种现象不具有自平衡特性，称为无自平衡过程。这种过程是临界稳定的，它需要很长时间，被调量才会有很大的变化。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法还有一类不稳定的过程，原来的平衡一旦被破坏后，被调量在很短的时间内就发生很大的变化。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法对于无自平衡能力的单容对象其动态方程为A=Δ=(2—19)A——液槽截面积。dthdiQuKu河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法对于无自平衡能力的单容对象其动态方程为A=Δ=(2—19)A——液槽截面积。dthdiQuKu河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法对式(2-20)求解可得=t===为响应时间。其对应的传递函数为G（S）==(2-22)这是一个积分环节，响应曲线如图所示。hutTuaaTuKA1)()(sUsHaT1s1·河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法•无自平衡能力单容对象阶跃响应曲线河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法多容对象的动态特性具有两个水槽，有两个可以储水的容器，为双容对象。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法1、具有自平衡能力的双容对象两个串联对象的模型，在流入端，阀门开度有微小扰动的情况下，被控参数的动态方程可由几个关系式导出。2h河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法-===-==1Q2Q2Cdthd22Q22Rh1Q11RhiQ1Q1Cdthd1iQuKu河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法消去中间变量可得+(+)+=K1T2T222dthd1T2Tdthd22hu河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法C1、C2——两液槽的容量系数；R1、R2——两液槽的出水端的阻力；T1=R1C1——第一个容器的时间常数；T2=R2C2——第二个容器的时间常数；K=KuR2——双容对象的放大系数。河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法其传递函数为G(s)==)()(2sUsH1)(21221sTTsTTK河南科技大学机电工程学院过程控制系统建模方法若双容对象调节阀1开度变化所引起的流