简单控制系统生产过程动态特性

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1、19九月2021*No.1被控对象的动态特性被控对象就是正在运行着的各种各样的被控制的生产工艺设备，例如各种加热炉、锅炉、发酵罐、热处理器、精馏塔等。流入量和流出量的概念从物质或能量角度来理解系统的流入量和流出量从物理角度来理解二者的平衡关系从系统角度看，二者均是被控对象的输入量被控对象具有大的储蓄容积，因而属于慢过程传输迟延/纯迟延：信号传输途中出现的迟延注意从物理概念及系统角度进行分析19九月2021*No.2基本概念对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系；对象的数学模型：对象特性的数学描述,即

2、被控对象的输出量（被控量）在输入量（控制量和扰动量）作用下变化的数学函数关系式。——建立这种数学关系的过程称作数学建模对象特性的分类静态数学模型描述的是对象在稳定时（静态）的输入与输出关系；动态数学模型描述的是在输入量改变以后输出量跟随变化的规律；动态数学模型是更精确的模型，静态数学模型是动态数学模型在对象达到平衡时的特例19九月2021*No.3系统的动态特性对象受到干扰作用或调节作用后,被调参数跟随变化规律研究系统动态特性的核心是：寻找系统输入与输出之间的规律(函数)系统输入量：干扰作用、调节作用系统输出量：系统的主要被

3、调参数、副作用数学模型的表示方法非参量模型：用曲线、图表表示的系统输入与输出量之间的关系；参量模型：用数学方程式表示的系统输入与输出量之间的关系19九月2021*No.4对象动态特性的研究方法★理论分析根据系统工艺实际过程的数、质、量关系，分析计算输入量与输出量之间的关系★实验研究有些系统的输入与输出之间的关系是比较难以通过计算来获得的。需要在实际系统或实验系统中，通过一组输入来考察输出的跟随变化规律——反映输入与输出关系的经验曲线和经验函数关系19九月2021*No.5大多数工业过程的动态特性分属于下列四种类型：1.有自衡

4、的非振荡过程：一阶惯性环节加纯迟延二阶惯性环节加纯迟延n阶惯性环节加纯迟延另外一种自衡过程的表示方法是，用有理式加纯迟延,略所谓自平衡过程是指被控对象在扰动作用下，平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表的干预，依靠自身能够恢复平衡的过程。τ为过程的纯滞后时间19九月2021*No.62.无自衡的非振荡过程：较为常见的过程特性，传递函数形式如下非自衡过程应包含积分环节，加纯迟延：所谓无自平衡过程是指受扰过程的平衡状态被破坏后，在没有操作人员或仪表等干预下，依靠被控过程自身能力不能重新回到平衡状态。19九月2021*No.73.

5、自衡的振荡过程：传递函数形式如下19九月2021*No.84.具有反向特性的过程传递函数形式如下反向特性19九月2021*No.9机理法建模的基本步骤如下：根据建模过程和模型使用目的做出合理假设。根据被控对象的结构以及工艺生产要求进行基本分析，确定被控对象的输入变量和输出变量。根据被控对象的内在机理，列写原始动态方程组。消去中间变量，得到只含有输入变量和输出变量的微分方程式或传递函数。在满足控制工程要求的前提下对动态数学模型进行必要的简化。机理法建立被控对象的数学模型19九月2021*No.10例一：一阶对象（有自衡特性的单

6、容对象）其中：kμ调节阀阀门系数；RS手动阀门局部阻力系数，截面积为F，负荷Q2，输入阀门开度μ，被调量h19九月2021*No.11根据物料平衡关系(体积守恒)，即在单位时间内储存罐的液体流入量与单位时间内储存罐的液体流出量之差，应等于储存罐中液体储藏量的变化率。故有：即：其中F是横截面积。机理法建立被控对象的数学模型19九月2021*No.12由上可见，液位变化dh/dt由两个因素决定：一是储存罐的截面积F；一是流入量与流出量之差Q1-Q2。F越大，dh/dt越小；Q1-Q2越大，dh/dt越大。在过程控制系统中，被控对

7、象一般都有一定储存物料或能量的能力，储存能力的大小通常用容量或容量系数表示，其表示符号为C。其物理意义是：引起单位被控量变化时被控对象储存能量、物料量变化的大小。机理法建立被控对象的数学模型19九月2021*No.13例一：一阶对象（有自衡特性的单容对象）由体积守恒可得：且阀门特性为：由此可得：化为标准形式：19九月2021*No.14线性化处理：可得一阶水箱对象的增量微分方程为：以平衡态为起点，则可去掉增量符号得线性微分方程Rs称为液阻：19九月2021*No.15取Laplace变换，可得液位变化与流入量(开度)之间的传

8、递函数(一般形式)：其中T为过程时间常数，K为过程放大系数。机理法建立被控对象的数学模型有自平衡过程的阶跃响应过程19九月2021*No.16例二：积分对象（单容积分水箱）由体积守恒可得：(Q1-Q2)dt=Fdh其中：Q2=CC——常数由此可得：dh/dt=Q1/F-Q2/F若负荷不变则