过程特性与动态模型建立

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1、第二节过程特性与动态模型建立一、典型受控过程在实际工业过程中，受控的过程往往是比较复杂的，其数学模型一般均为非线性、分布参数和时变等。在一定条件下可以线性化、集总化以便于分析和设计，而一般的线性系统大部分可由纯滞后，单容、双容这几种简单环节组成。1、纯滞后过程纯滞后：当输入变量改变后，输出变量并不立即改变，而是要经过一段时间后才反映出来。例1：加热炉给流体加热过程Ttr例2：传送带传送物料图1-2-1重量传感器对固体流量变化的响应纯滞后传递函数：频率特性：2、单容过程（非振荡过程）（1）无自衡的单容过程hQiQo图1-2-2

2、单容过程水槽所容纳的流体体积的变化速度=输入流量-输出流量即如果储液罐截面恒定，则：返回（1-2-1）初始条件：h(0)=h0,h’(0)=0,其阶跃响应如下QQiQotthh0图1-2-3相应的拉氏变换：(1-2-2)纯积分环节：（1-2-3）由（1-2-1）知：Qi=Qoh恒定Qi≠Qoh=Kt+h0t∞h=0,抽干h∞,满溢无自衡过程就是指当注入贮槽的流量发生改变时，容积会出现满溢或抽干的现象，即容积没有自动恢复平衡的能力。(2)有自衡的单容过程（有自衡的非振荡过程）将图1-2-2中的泵改为手动阀门。则Qo和液位h有关

3、，液位与流量的关系式假设系统为定值控制：Qohh为工作点线性化:由（1-2-2）（1-2-4）知（1-2-4）Qi(s)+Qo(s)_H(s)传递函数：h(∞)阶跃曲线：1-2-5t有自衡是指当输入变量发生改变时，过程能自发的趋于新的平衡状态。h(t)（3）其他单容过程：Kv1Kv2PP1P2R储气罐压力RC电路RC回路：CUiUo3、多容过程由两个或两个以上的单容过程组成图1-2-6（1）无互相影响的双容系统：QiQ1Q2h1h2R1R2(1-2-5)(1-2-6)(1-2-7)(1-2-8)其中A1，A2分别为罐1，罐2

4、的横截面积，可看作两个单容过程简单的串联在一起Qi(s)Q1(s)H1(s)Q2(s)H2(s)方框图：根据方框图得：－－（1-2-9）其中：（2）具有互相影响的双容过程：QiQ1h1h2R1R2Q2图1-2-8H2(s)Qi(s)Q2(s)Q1(s)H1(s)+_+_+_方框图：由方框图知：(1-2-11)(1-2-10)其中：与无相互影响的双容过程不同：1、H1对Qi的响应不再是一阶过程2、分母中多一项A1R2传函的特征根：由过阻尼情况，系统是自衡的式(1-2-11)可写成等效形式：其中：（3）多容过程①对于没有相互影响

5、的多容过程，由N个一阶惯性环节串联而成，系统函数为：当T1=T2＝T时说明等效的无相互影响过程中一个容积响应变快了，另一个却变慢了随着N的增加，时间响应越来越接近于一阶加纯滞后过程②对于有相互影响的多容过程，也可以等效为由若干个无影响的容积组成的多容过程，可用一阶纯滞后过程来近似③随N的增大显著增加-无影响增加很小-有相互影响说明：一些塔板式精馏塔，萃取塔，吸收塔，气动传输管线呈现有相互影响的多容过程特性具有分布参数特性的过程4、具有反向特性的过程反向响应：过程的阶跃响应在初始的情况和最终情况时方向相反例：一个锅炉汽包的水位

6、控制汽包水位=水量+汽泡体积该曲线特性是两个环节共同作用的结果图1-2-11图1-2-10供给水(1)给水的增加引起汽泡的沸腾减弱，从而水位下降，其传函：(2)在传热量恒定，储水量随进水量的增加而增加，其传函：(3)两个环节共同作用的结果：Y1(s)++Qi(s)Y2(s)Y(s)当k2T1＜k1时，是非最小相位系统。反向响应过程在初期易产生误操作。即冷水量增加，液位本应是升高的，但由于虚假水位的影响，导致水位看起来是下降的。导致操作者进一步增大冷水的供给量，从而使汽包水位超限5、不稳定过程除了无自衡的单容过程外，其他的过程

7、是稳定的，另外吸热反应是稳定的，但是也存在不稳定的过程。例：放热反应：温度，反应速度加快，放热量，温度，其内部存在正反馈过程，过程的任意极点都在右平面，系统是不稳定的。二、k,T,τ,对控制品质的影响（1）本节讨论的是有自衡的非振荡过程，三个参数对控制系统的品质影响（2）对广义对象而言存在两个通道：控制通道和扰动通道。F(s)R(s)-E(s)GV(s)Gp(s)GF(s)H(s)Q(s)U(s)Gc(s)Y(s)++通道：由对象的输入变量至输出变量的信号联系控制通道：控制作用至被控变量的信号联系干扰通道：干扰作用至被控变量

8、的信号联系GF(s):扰动作用对受控变量的影响G0(s)：控制作用对受控变量的影响-H(s)GV(s)Gp(s)GF(s)Q(s)U(s)F(s)Gc(s)G0(s)Y(s)单容水槽对象K等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比，则称K为对象的放大系数1、K的影响：K称为静态增益，也