Ch06基于过程数据的实验建模

1、基于过程数据的实验建模1过程对象的建模方过程对象的建模方法法数学方法数学方法实验方法实验方法由工艺过程写出平衡方程由工艺过程写出平衡方程推导被控对象的数学模型推导被控对象的数学模型求解模型得出特性参数求解模型得出特性参数结合实际进行理论分析结合实际进行理论分析实验测试求实验测试求出特性参数出特性参数稳态稳态-激励信激励信号号-动态变化动态变化- -测得实验数据测得实验数据或曲线或曲线-进行进行分析分析对象特性对象特性参数参数基于过程数据的实验建模实验方法在工程上应用的原因： 对象的动态特性虽可运用流动、蒸发、化学反应、传热、吸收对象的动态特性虽可运用流动、蒸发、化学反应、传热、吸收等物理化学基

2、础理论来推导求解，但由于具体对象的物理化等物理化学基础理论来推导求解，但由于具体对象的物理化学过程是复杂的，在数学推导过程中学过程是复杂的，在数学推导过程中必须作许多假设和简化，必须作许多假设和简化，推导的结果尚需实验测试来验证推导的结果尚需实验测试来验证；实际工业对象的实际工业对象的机理很复杂机理很复杂，有时甚至很难用，有时甚至很难用数学方法推导数学方法推导，这时只能用实验方法来测定；这时只能用实验方法来测定；有许多被控对象的特性在运行过程中会随工况变化而改变，或有许多被控对象的特性在运行过程中会随工况变化而改变，或随其他因素而改变，随其他因素而改变，为了提高控制系统的品质为了提高控制系统的

3、品质，有时需要采，有时需要采用自整定控制或自适应控制，这种系统就非得在运行过程中用自整定控制或自适应控制，这种系统就非得在运行过程中用实验方法测定对象的动态特性不可。用实验方法测定对象的动态特性不可。基于过程数据的实验建模 机理建模依赖于对被测对象内部物理、化学过程了解程机理建模依赖于对被测对象内部物理、化学过程了解程度（复杂、多为高阶非线性方程；参数相互影响求解难）度（复杂、多为高阶非线性方程；参数相互影响求解难） 做出假设和简化、理论推导结果须经过实验验证。做出假设和简化、理论推导结果须经过实验验证。系统辨识系统辨识机理建模获取对象模型的结构形式，通过有目的实验机理建模获取对象模型的结构形

4、式，通过有目的实验测定和数据处理，求得模型中各参数的值。测定和数据处理，求得模型中各参数的值。特点：把被研究的对象视为一个黑匣子，完全从外部特点：把被研究的对象视为一个黑匣子，完全从外部特性上来测试和描述它的动态特性，不需要深入了解特性上来测试和描述它的动态特性，不需要深入了解其内部机理其内部机理 。机理建模机理建模+实验测定实验测定2022-6-14o 给所要研究的对象人为地输入一个激励信号，给所要研究的对象人为地输入一个激励信号，然后测取被控对象输出变量随时间的变化规然后测取被控对象输出变量随时间的变化规律，得出一系列的实验数据或曲线来表征一律，得出一系列的实验数据或曲线来表征一定的被控对

5、象特性。定的被控对象特性。o 被控对象的测定方法有很多种，主要区别在被控对象的测定方法有很多种，主要区别在于所加入的输入变量的信号形式。于所加入的输入变量的信号形式。（1）响应曲线法）响应曲线法（2）脉冲响应法）脉冲响应法（3）频域分析法）频域分析法（4）统计分析法）统计分析法基于过程数据的实验建模数据处理步骤数据处理步骤（1 1）选定模型结构（）选定模型结构（2 2）计算模型参数）计算模型参数2022-6-15（1 1）响应曲线法）响应曲线法 用实验的方法测定对象在阶跃输入作用下，其输用实验的方法测定对象在阶跃输入作用下，其输出量随时间变化的规律出量随时间变化的规律 。 a.a.t=t0t=

6、t0时刻之前时刻之前: :被控对象处被控对象处于平衡状态于平衡状态; ; b.b.在在t0t0时刻时刻: :加入一阶跃输入，加入一阶跃输入，后又保持不变；后又保持不变； c.c.测量记录对象输出量从测量记录对象输出量从t0t0时刻时刻起随时间的变化过程，即阶跃响起随时间的变化过程，即阶跃响应（又称飞升特性）。应（又称飞升特性）。具体做法：具体做法：基于过程数据的实验建模例：例：2022-6-16如图显示了连续搅拌釜反应器中进料由120kg/min变化到125kg/min引起的温度T的响应。试利用这些操作条件为该过程确定近似的一阶模型。 实际系统中还存在时间延迟现象，输出完全复现实际系统中还存在

7、时间延迟现象，输出完全复现输入，但延迟了时间输入，但延迟了时间 ，即，即 ( )()oix tx t 此时：此时：( )( )soieXsx s 或：或：( )sG se 001x tt ttx1 tto一阶惯性环节加纯滞后( )1sKG seTs 2022-6-18o)x()x()y()y(K00一阶惯性环节加纯滞后一阶惯性环节加纯滞后( )1sKG seTs 2022-6-19（1 1）响应曲线法）响应曲线法n 实验过程简单，数据处理过程以阶跃响应曲线实验过程简单，数据处理过程以阶跃响应曲线为基础，是时域分析的首选。为基础，是时域分析的首选。n 工程实际运用中，阶跃输入有时会使被测对象工程

8、实际运用中，阶跃输入有时会使被测对象的输出变化超越允许范围；或受运行条件限制，的输出变化超越允许范围；或受运行条件限制，不允许对象的输出长时间偏离正常值。不允许对象的输出长时间偏离正常值。采用矩形脉冲信号做激励采用矩形脉冲信号做激励基于过程数据的实验建模2022-6-110（2 2）脉冲响应法）脉冲响应法 用实验的方法测取对象在矩形脉冲输入信号作用下，用实验的方法测取对象在矩形脉冲输入信号作用下，其输出量随时间的变化规律。其输出量随时间的变化规律。o 当对象处于稳定工况下，在当对象处于稳定工况下，在时刻时刻t0突然加入一阶跃输入突然加入一阶跃输入量，作用一段时间后，在量，作用一段时间后，在t1

9、 时刻再突然撤除该阶跃信号，时刻再突然撤除该阶跃信号，测出输出量从测出输出量从t0时刻起随时时刻起随时间的变化规律，称为对象的间的变化规律，称为对象的矩形脉冲特性。矩形脉冲特性。基于过程数据的实验建模2022-6-111 矩形脉冲看作是矩形脉冲看作是t0时刻的时刻的正向阶跃信号正向阶跃信号x0与与t1时刻的时刻的反向阶跃信号反向阶跃信号-x0的组合信号，那么其响应曲线也就是这的组合信号，那么其响应曲线也就是这两条阶跃响应曲线的合成曲线。两条阶跃响应曲线的合成曲线。矩形脉冲响应曲线矩形脉冲响应曲线 11tttty( )y ( )y () 01ttt11tttty ( )y( )y () 基于过程数据的实验建模2022-6-112脉冲响应法脉冲响应法 由于加在对象上的干扰经过一段时间即被除去，由于加在对象上的干扰经过一段时间即被除去，因此干扰的幅度可取的较大，以提高实验的精度；因此干扰的幅度可取的较大，以提高实验的精度；同时，对象输出量又不至于长时间地偏离给定值，同时，对象输出量又不至于长时间地偏离给定值，因而对正常生产影响较小。因而对正常生产影响较小。 响应曲线法是一种比较简单的对象特性实验测定响应曲线法是一种比较简单的对象特性实验测定方法，但由于实际