过程控制工程过程动态特性建模与分析

1、过程控制工程过程动态特性建模与分析第1页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三上一讲内容回顾过程控制工程的研究对象与任务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第2页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三本章概要控制系统的组成单回路控制系统的描述简单被控过程的机理建模方法广义对象的概念及其动态测试第3页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三本章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“广义对象”概念及其动态

2、特性的典型测试方法。第4页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三控制系统的基本组成过程末端执行器传感器控制器输入输出期望值第5页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三液位控制反馈控制第6页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三液位控制系统的方框图问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？第7页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三一般的单回路控制系统被控变量：温度(T)、压力(P)、流量(F)、液位或料位(L)、成分与物性等六大参数。第8页，共45页，2022年，5月20日，18点

3、35分，星期三方块图的注意事项正确的画法不正确的画法第9页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三课堂练习问题：画出热交换器温度控制系统的方块图。第10页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三2.1 建模目的和方法建立被控对象数学模型的目的进行工业过程优化操作控制系统方案的设计和仿真研究控制系统的调试和控制器参数整定作为模型预测控制等先进控制方法的数学模型工业过程的故障检测与诊断设备启动与停车的操作方案操作人员的培训系统第11页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三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，

4、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。第12页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三2.2 机理建模的步骤根据建模的对象和模型使用的目的进行合理的假设 ；根据过程的内在机理建立数学方程；进行自由度分析，保证模型有解；简化模型。第13页，

5、共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三对象机理建模举例#1（p. 20） 物料平衡方程： 流体运动方程：第14页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三对象机理建模举例#1(续)线性化：第15页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三一阶过程的描述一阶过程通常的描述方式为：过程增益K时间常数T第16页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三#1举例的simulink仿真K反映了输出变化的幅度第17页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三无振荡的自衡过程第18页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期

6、三#1举例的simulink仿真（续）时间常数T反映了输出变化的快慢第19页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三工程中常见的一阶对象第20页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三对象机理建模举例#2 物料平衡方程： 流体运动方程：第21页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三#2举例的simulink仿真无振荡的自衡过程第22页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三无振荡的自衡过程第23页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三高阶过程第24页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三工程上

7、常见的二阶过程第25页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三机理建模举例#3物料平衡方程：无振荡的非自衡过程第26页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三无振荡的非自衡过程第27页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三过程控制广义对象动态特性分类自衡过程（Self-Regulating Processes）(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-Regulating Processes）(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第28页，共45页，2022年，5

8、月20日，18点35分，星期三无振荡自衡过程模型第29页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三无振荡非自衡过程模型第30页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三具有反向特性的非自衡过程模型第31页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三小结被控对象动态建模方法机理建模的步骤过程控制广义对象动态特性分类第32页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三2.3 阶跃响应建模阶跃响应的获取(P30)阶跃响应测试法注意事项合理选择阶跃响扰动信号的幅度，5%15%为宜初始稳定，避免偶然干扰不同设定值与正反向的多次测试数据处理，剔除明显不合

9、理的部分第33页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三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。第34页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三SimuLink的使用介绍熟悉与掌握系统所提供的SimuLink常用模块，如输入信号、输出显示、传递函数模块、常用数学函数等；掌握SimuLink运行数据与Matlab数据平台的联结，以及Matlab常用的作图方法；掌握子系统的封装技术；第35页，

10、共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三广义对象的描述可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象：第36页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三过程增益的计算第37页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三过程的时间常数第38页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三过程的时间滞后第39页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三阶跃响应测试法1 对象的近似模型：对应参数见左图，而增益为：第40页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三阶跃响应测试法2第41页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三广义对象矩形脉冲响应测试法第42页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三结 论介绍了简单被控过程的机理建模方法与线性化问题；讲述了“广义对象”的概念及其动态特性的典型测试方法。第43页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三习题P. 28, 习题2-1,P. 29, 习题2-5,p. 42, 习题3-1,p. 42, 习题3-3.（若可能，请用Matlab 作图）第44页，共45页，2022年，5月20日，18点35分，星期三仿真练习阅读matlab帮助中Simulink部分有关“Creating Maske