浙大工业过程控制--3.过程动态特性分析

2020 4 6 工业过程控制 过程动态特性建模与分析 ProcessCharacteristics 戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所 2020 4 6 工业过程控制 上一讲内容回顾 控制系统的设计目的单回路控制系统的组成 方块图描述法及方块图中线与方框图的物理意义过程控制中的常用术语 中英文 控制系统的主要分类与设计过程 2020 4 6 工业过程控制 复习题 对于如图所示的压力控制系统 假设贮罐温度不变 主要干扰为P1 P2 试指出该系统中的被控变量 操纵变量 扰动变量与被控对象 并画出该系统的方块图 2020 4 6 工业过程控制 本讲基本要求 了解典型工业过程的动态特性类型 掌握简单被控过程的机理建模方法 掌握调节阀 气开 气关 形式与流量特性的选择原则 掌握 广义对象 概念及其动态特性的典型测试方法 2020 4 6 工业过程控制 单回路控制系统组成 2020 4 6 工业过程控制 被控对象动态建模方法 机理建模原理 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 测试建模原理 对过程的输入 包括控制变量与扰动变量 施加一定形式的激励信号 如阶跃 脉冲信号等 同时记录相关的输入输出数据 再对这些数据进行处理 由此获得对象的动态模型 特点 无需深入了解过程机理 但适用范围小 模型准确性有限 2020 4 6 工业过程控制 对象机理建模举例 1 p 28 物料平衡方程 流体运动方程 讨论问题 1 线性化的意义 如何线性化 2 如何用Matlab或SimuLink表示该过程 参见Simulation ProcessModel LevelProcess01 mdl 2020 4 6 工业过程控制 对象机理建模举例 2 物料平衡方程 流体运动方程 仿真参见 ProcessModel LevelProcess02 mdl 问题 状态方程 线性化 2020 4 6 工业过程控制 机理建模举例 3 非自衡过程 物料平衡方程 2020 4 6 工业过程控制 气动调节阀的结构 u t 控制器输出 4 20mA或0 10mADC pc 调节阀气动控制信号 l 阀杆相对位置 f 相对流通面积 q 受调节阀影响的管路相对流量 2020 4 6 工业过程控制 阀门的 气开 与 气关 1 气开阀与气关阀 气开阀 pc f 有气则开 气关阀 pc f 有气则关 无气源 pc 0 时 气开阀全关 气关阀全开 2 气开阀与气关阀的选择原则 若无气源时 希望阀全关 则应选择气开阀 如加热炉瓦斯气调节阀 若无气源时 希望阀全开 则应选择气关阀 如加热炉进风蝶阀 2020 4 6 工业过程控制 调节阀的结构特性 调节阀结构特性 阀芯与阀座间的节流面积和阀门开度之间的函数关系 f为相对节流面积 l为相对开度 线性阀 线1 等百分比阀或称对数阀 线2 2020 4 6 工业过程控制 调节阀的工作流量特性分析 阀阻比S100 调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比 即 2020 4 6 工业过程控制 调节阀工作流量特性 续 线性阀的特性变异 对数阀的特性变异 2020 4 6 工业过程控制 调节阀流量特性总结 线性阀 在理想情况下 调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关 而随着管路系统阀阻比的减少 当开度到达50 70 时 流量已接近其全开时的数值 即Kv随着开度的增大而显著下降 对数阀 在理想情况下 调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加 而随着管路系统阀阻比的减少 Kv渐近于常数 2020 4 6 工业过程控制 调节阀流量特性的选择原则 选择原则 仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于0 60以上 即调节阀两端的压差基本不变 才选择线性阀 如液位控制系统 其他情况大都应选择对数阀 热平衡方程 Kp 控制通道增益 2020 4 6 工业过程控制 广义对象 的概念 2020 4 6 工业过程控制 广义对象 的特点 特点 1 使控制系统的设计与分析简化 2 广义对象的输入输出通常可测量 以便于测试其动态特性 3 只关心某些特定的输入输出变量 2020 4 6 工业过程控制 广义对象 动态特性的阶跃响应测试法 典型自衡工业对象的阶跃响应 对象的近似模型 对应参数见左图 而增益为 ymin ymax 为CV的测量范围 umin umax 为MV的变化范围 对于阀位开度通常用0 100 表示 2020 4 6 工业过程控制 广义对象 动态特性的矩形脉冲响应测试法 SISO对象模型构造与动态响应仿真参见 ProcessModel OpenLoopResp mdl 2020 4 6 工业过程控制 过程控制广义对象动态特性分类 自衡过程 Self RegulatingProcesses 1 无振荡的自衡过程 2 有振荡的自衡过程非自衡过程 Non Self RegulatingProcesses 1 无振荡的非自衡过程 2 有振荡的非自衡过程 3 具有反向特性的非自衡过程 2020 4 6 工业过程控制 无振荡自衡过程模型 2020 4 6 工业过程控制 无振荡非自衡过程模型 2020 4 6 工业过程控制 具有反向特性的非自衡过程模型 2020 4 6 工业过程控制 工业过程控制对象的特点 除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象 对象动态特性存在不同程度的纯迟延 对象的阶跃响应通常为单调曲线 除流量对象外的被调量的变化相对缓慢 被控对象往往具有非线性 不确定性与时变等特性 2020 4 6 工业过程控制 结论 介绍了简单被控过程的机理建模方法与线性化问题 讨论了调节阀 气开 气关 形式与流量特