第二章 过程建模和过程检测控制仪表

第二章过程建模和过程检测控制仪表[e-mail]主要内容1、过程建模（**）2、过程变量检测与变送（*）4、其它数字式过程控制仪表3、过程控制仪表[e-mail]基本概念1被控过程（对象）：指正在运行中的多种多样的被控制的生产工艺设备。数学模型：指过程在各输入量的作用下，其相应输出量变化的函数关系数学表达式。•参数模型：即用数学方程来表示（方便，描述形式有：微分方程、传递函数、差分方程、脉冲响应函数、状态方程等）。过程的数学模型的两种描述形式：•非参数模型：即用曲线或数据表格来表示（形象、直观，但对进行系统的设计和综合不方便）。阶跃响应曲线、脉冲响应曲线、频率特性曲线。[e-mail]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：控制作用与被控变量之间的信号联系通道。–扰动通道：扰动作用与被控变量之间的信号联系通道。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。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，即调节器的输出量(u(t))作为控制作用。基本扰动作用于闭合回路内，所以对系统的性能起决定作用。基本概念[e-mail]基本概念3r(t)调节器执行器被控过程测量变送z(t)e(t)+-u(t)q(t)0()Wsy(t)…1()ft()nft多入单出的系统：通常选一个可控性良好的输入量u(t)作为控制作用，其余的输入量则称为扰动作用。多入多出的系统：几个输入量将同时影响两个或两个以上的被控量，可采用解耦控制等方法解除影响。[e-mail]被控对象动态特性的特点被控对象所进行的过程几乎都离不开物质或能量的流动。•流入量：从外部流入对象内部的物质或能量流量。•流出量:从对象内部流出的流量。被控过程大多属于慢过程，被调量的变化十分缓慢被控对象具有纯延迟，即传输延迟。被控对象的动态特性是不振荡的。被控对象本身是稳定的或中性稳定的。（自衡与非自衡）被控对象往往具有非线性特性。[e-mail]0tx(t)0tx(t)0ty(t)y(t)0t过程的阶跃响应曲线：表示在输入扰动x（其实应该是u或f）作用下，输出y（被控量）的具有时延的响应。[e-mail]自衡过程与非自衡过程如液位系统，出口阀不控，入口流量变化后，液位为自衡过程；若出口加泵，为非自衡过程。自衡过程----指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。非自衡过程-----指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身不能重新恢复平衡的过程。[e-mail]过程数学模型及其建立方法建立数学模型的目的:建立工业过程优化操作方案制订控制系统的设计方案，进行仿真研究进行控制系统的调试和调节器参数的整定设计工业过程的故障检测与诊断系统制订大型设备启动和停车的操作方案设计工业过程运行人员培训系统[e-mail]被控对象数学模型的表达形式和利用方式表达形式：按系统的连续性划分：连续系统模型、离散系统模型按模型的结构划分:输入输出模型、状态空间模型（二次型最优控制）按论域划分：时域表达-阶跃响应、脉冲响应（预测控制）频域表达-传递函数（PID控制、自适应控制）利用方式：离线在线[e-mail]对被控对象数学模型的要求根据实际应用情况提出适当要求被控过程数学模型的应用与要求应用目的调节器参数整定前馈、解耦、预估系统设计控制系统的计算机辅助设计自适应控制最优控制精度要求线性、非线性、时间连续线性、参数（或非参数）、时间连续线性、参数（或非参数）、时间连续线性、参数、时间离散线性、参数、时间离散或连续过程模型类型低中等中等中等高[e-mail]几种控制方式最优控制----目的在于使一个机组、一台设备、或一个生产过程实现局部最优。最优控制问题核心是选择控制函数u(f)，使得某一性能指标达到最小或最大值。自适应控制----能适应被控过程参数(或环境条件)的变化，自动修正控制器参数(控制算法)以补偿被控过程特性变化的一种控制。调节器参数整定----系统整定的实质，就是通过改变控制参数使调节器特性和被控过程特性配合好，来改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。[e-mail]过程数学模型的求取方法•方法二：实验法建模（过程辨识法）,即根据过程输入、输出数据，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。•方法一：机理分析法，即根据过程的内在机理，通过静态与动态物料平衡和能量平衡关系求取过程的数学模型。•方法三：上两种方法的结合，即先通过机理分析确定模型的结构形式，再通过实验数据来确定模型中各系数的大小。[e-mail]机理分析法建模当对一个系统的工作机理有了清楚全面的认识，而且过程能用成熟的理论进行描述时，便可采用机理法建模。根据基本的物理定律从系统内部工作过程的机理出发,建立系统数学模型的方法称为机理法或“白盒法”。它具有较严密的理论依据，在任何状态下使用都不会引起定性的错误。建模时，首先对系统进行分析和类比，再作出一些合理的假设，以简化系统并为建模提供一定的理论依据，然后再根据基本的物理定律（如质量守恒、能量守恒、动量守恒等）建立相应的数学模型。[e-mail]机理推导的几类数学模型数学模型的类型过程类别集中参数过程分布参数过程多级过程动态模型代数方程微分方程差分方程静态模型微分方程偏微分方程微分-差分方程集中参数过程-----单个控制参数的过程控制分布参数过程-----多个控制参数的过程控制多级过程------控制过程有多个控制步（相当于离散系统）[e-mail]物料（或能量）平衡关系动态物料（或能量）平衡关系：单位时间内进入被控过程的物料（或能量）减去单位时间内从被控过程流出的物料（或能量）等于被控过程内物料（或能量）存储量的变化率。静态物料（或能量）平衡关系：单位时间内进入被控过程的物料（或能量）等于单位时间内从被控过程流出的物料（或能量）。[e-mail]（一）自衡过程建模h1q2q12a)液位过程2R1Rq(t)t01、单容过程-----只有一个储蓄容量的过程A=C输入q(t)输出h(t)h(t)t0b）阶跃响应[e-mail]模型推导1动态物料平衡关系及其增量形式：1212dhqqAdtdVdhqqAdtdt物理原理：22hqR其中，R2为阀门2的阻力，称为液阻或流阻。1q-----流入量，控制过程的输入变量-----流出量，中间变量h-----液位，控制过程的输出变量[e-mail]模型推导21/Cs1/R2+-Q1(s)Q2(s)H(s)液位过程方框图1212()()()........()hdhqARdtHsQsAsHsR由式(*)可画出框图如图所示。即令过程容量C=A消去中间变量，及拉氏变换后，有2q[e-mail]模型推导3容量或容量系数-----被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小,称为容量或容量系数。其物理意义是：引起单位被控量变化时被控过程贮存量变化的大小。CsR2H(s)+H(s)=R2Q1(s),故单容过程的数学模型为：020120()()()11KRHSWsQsCRsTs式中，TO=R2C为液位过程的时间常数,C为容量系数(或容量)。K0=R2,为液位过程的放大系数。[e-mail]双容过程的建模（一）自衡过程建模2、双容过程h11q2q121C1R2Rh23q32C3Ra)液位过程q1(t)0q(t)q2q3b）阶跃响应h1(t)t0h2(t)t0()hc0TABCD输入输出[e-mail]模型推导1其被控量是第二只水箱的液位h2，输入量为q1。根据物料平衡关系可以列出下列方程：11211222232233dhqqCdthqRdhqqCdthqR[e-mail]模型推导211211222232233dhqqCdthqRdhqqCdthqR1/C1s1/R3+-Q1(s)Q3(s)H1(s)液位过程方框图1/R2Q2(s)-+1/C2sH2(s)Q2(s)双容过程的数学模型为：)1)(1()()()(210120sTsTKsQsHsWT1—第一只水箱的时间常数，T1=R2C1；T2—第二只水箱的时间常数，T2=R3C2；K0—过程的放大系数，K0=R3；C1、C2—分别为两只水箱的容量系数。[e-mail]3、具有纯滞后单容过程的数学模型h2qC2R1R1ql*1qa）液位过程（一）自衡过程建模q1(t)t0h(t)t00b）阶跃响应[e-mail]其数学模型为：00010()()()1sKHsWseQsTs模型推导T0—过程的时间常数，T0=R2C；K0—过程的放大系数，K0=R2；—过程的纯滞后时间。0[e-mail]（二）无自衡过程建模h1q2qa)液位过程RC定量泵q1(t)t01、单容过程h(t)t0b）阶跃响应[e-mail]模型推导在自衡过程下，有dthdCqq21而在无自衡过程下，将出口阀2换成定量泵，这样，其流出量q2与液位h无关，即这里△q2=0。传递函数：00011()()1()()asaWsTsHsWseQsTs带有纯滞后的过程[e-mail]2、双容过程（二）无自衡过程建模h11q2q121R2R1Ch23qa)液位过程2C定量泵q1(t)t0t0q2(t)h2(t)t0Tab）阶跃响应Wangyuyuki1120@sina.