过程动态特性的数学描述及其经典测试法-浙江大学-控制科学与工程学院ppt课件.ppt

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1、过程动态特性的描述与获取戴连奎浙江大学控制学院2016/03/10内容过程特性分类过程特性机理建模法执行机构介绍过程特性测试建模法总结一般的反馈控制系统被控参数?检测仪表?常用执行机构?掌握被控过程动态特性的重要性不同的被控过程具有不同的特性很难改变广义的被控过程（包括测量与执行机构）很容易改变控制器参数控制工程师能做的就是调整控制器使其适合该被控过程对于某一被控过程，最适合其特性的控制器是最好的控制器。被控过程的分类自衡过程/稳定对象(1)单容过程(2)多容过程(3)传输滞后+多容过程非自衡过程例如：某些液位对象与某些放热反应器被控过程举例#1该被控过程是稳定的，为什么?

2、被控过程举例#2该被控过程是不稳定的，为什么?被控过程举例#3该被控过程是否是稳定的，为什么?获取过程动态特性的途径基于过程动态学的机理建模根据某一被控过程的化学与物理机理，基于物料平衡、能量平衡与过程动力学等方程，来描述过程输入与输出之间的动态特性。基于过程数据的测试建模为获取过程动态特性，手动改变某一被控过程的输入，同时记录过程输入输出数据；并基于过程数据建立输入与输出之间动态模型。机理建模方法课堂讨论试建立该被控过程的动态方程以描述各变量之间的函数关系，并构建Matlab/SimuLink仿真模型。过程静态方程与静态工作点“静态工作点”概念被控过程的静态特性描述控制阀

3、与测量仪表的静态特性描述过程动态特性与动态方程“动态特性”概念被控过程的动态平衡方程被控过程动态方程SimuLink仿真模型的构建描述过程特性的关键参数过程增益（K）过程输出（响应输出）的变化量与过程输入（施加激励）的变化量的比值，即过程一阶时间常数（T）过程纯滞后时间（τ）过程增益计算举例#1过程增益计算举例#2过程增益备注过程增益描述了稳态条件下，过程输出对输入变量变化的灵敏度。被控过程增益包括三部分：符号、数值与单位。过程增益只涉及两个稳态，因此说过程增益反映了被控过程的静态或稳态特性。有时，也称“静态/稳态增益”。过程一阶时间常数（T）基本定义对单容过程而言，过程一

4、阶时间常数定义为过程输出开始变化至达到全部变化的63.2%所需的时间.过程纯滞后时间（τ）基本定义过程纯滞后时间定义为过程输入施加激励至过程输出开始变化所需的时间.关于过程特性参数K,T,τ这三个参数的取值描述了一个实际被控过程的基本特性，其中K反映静态特性，而T、τ反映了过程的动态特性。由于绝大多数工业过程为非线性对象，即使对于同一被控过程，上述参数也将随工况的变化而变化。对象两时间参数的比值（τ/T）直接关系到控制系统的可控性。τ/T越大，控制难度越大。多容过程数学模型的描述多阶模型二阶加纯滞后模型一阶加纯滞后模型实际工业过程的动态特性绝大多数被控过程为自衡对象（除部分

5、液位对象外），因此均可用上述特性参数描述。所有被控过程均具有一定范围的纯滞后。被控过程的阶跃响应经常是单调且缓慢的（响应时间通常为分级、部分流量对象为秒级）由于被控过程的非线性，上述特性参数的取值通常与操作工况有关。换热器温度控制系统过程描述与信号流程图?温度控制系统的信号流程图电气转换器基本功能：将4-20mA电流信号转换成0.02-0.10MPa的标准气动信号0.14MPa气动调节阀的工作原理功能：根据阀头气压的大小，通过阀杆改变阀体中阀芯的位置，进而调节流经阀体的流体流量。控制系统“广义对象”的概念“广义对象”包括控制回路中除控制器外的每一部分。它反映了控制器输出对C

6、V测量输出的影响。反馈控制回路的简化获取过程动态特性的途径基于过程动态学的机理建模根据某一被控过程的化学与物理机理，基于物料平衡、能量平衡与过程动力学等方程，来描述过程输入与输出之间的动态特性。基于过程数据的测试建模为获取过程动态特性，手动改变某一被控过程的输入，同时记录过程输入输出数据；并基于过程数据建立输入与输出之间动态模型。广义对象的特性参数广义对象过程增益（Kp）传感变送器输出（即广义对象输出）的稳态变化量与控制器输出（即广义对象输入）的稳态变化量之比值过程时间常数（Tp）过程纯滞后时间（τp）对象特性的阶跃响应测试法借助于阶跃响应试验，获取过程输入输出（CO、TO

7、）动态响应数据。(1)将控制器改为“手动”操作模式；(2)以阶跃方式，改变控制器输出；(3)记录控制器输出与变送器输出响应数据。基于过程测试数据，估计广义对象的特性参数换热器温度控制系统的开环阶跃响应基于阶跃响应的特性参数计算基于阶跃响应的特性参数计算假设温度变送器的检测量程为100~300℃，即变送器输出变化为4%。则广义对象的增益为小结过程工业中被控对象动态特性的特点过程特性机理建模法过程特性测试建模法“广义对象”的概念，与如何基于过程阶跃响应来建立输入与输出之间动态模型。被控过程的特性参数自衡过程的三参数描