过程过程控制2.ppt

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1、2生产过程的动态特性被控对象的动态特性:扰动输入，引起的被控对象输出的变化，在时域或频域上，用微分方程或者传递函数表示。被控对象：一般指工业生产中的各种装置和设备，比如说：换热器、工业窑炉、蒸汽锅炉、蒸馏塔、反应器等。被调量通常是指温度、压力、液位、成分以及转速等等。被控对象慢过程：被调量的变化十分缓慢，变化的时间尺度以若干分钟或者是若干小时来计。被控对象特点：（1）过程缓慢；（2）不振荡（3）有较大延迟（4）有非线性和分布参数的特性2.1单容过程的动态特性单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程。单容过程典型例子：单容水槽的液位控制过程。

2、如图：2-1。2.1.1无纯延迟单容过程例：简单的单容水槽液位控制过程2-1稳态时：Q0=Qi；液位h保持不变；Qi>Q0时，液位上升；Qi-Q0=A(dh/dt)(2-1)物料平衡方程：dh/dt=(Qi-Q0)/A(2-2)Qi=kxx(2-3)Qo=k(2-4)dh/dt=(kxx–k)/A(2-5)令△h=h-h0△Qi=Qi1-Qi0△Qo=Qo1-Qo0将前述物料平衡方程写成增量形式：d△h/dt=(△Qi-△Qo)/A(2-6)显然：Qi=kxx→△Qi=kx△xQo=k不能推出：△Qo△Qo=Qo-Qo0=k-k=k(-)由：△h

3、=h1-h0△Qo和△h的关系便可得到：近似认为h1=h02-7代入2-6得到物料平衡方程的增量形式：(2-8)令：称之为阀门对流体的阻力，简称流阻。（2-9）由式（2-9）可有：（2-10）（2-11）（2-9）（2-12）（2-13）T——对象的时间常数，T=RA；K——对象的静态增益。K=KxR；拉氏变换后得对于阶跃输入，有△h=K△x(1-e-t/T)当T=t时，则有△h=K△x(1-e-1)=0.632K△x这就是单容对象的阶跃响应，其曲线如图所示，对象的特性与静态增益K和时间常数T有关。2-2静态增益：对象输出量变化的新稳定值与输入值

4、变化之比。时间常数：被控量保持起始速度不变，而达到稳定值所需要的时间。（2-15）2.1.2容量、阻力与纯延迟水容水阻时间常数2-4时间常数是由容量与阻力决定的动态参数。1.阻力R图2-5几种不同形式的阻力a)电阻b)液阻c)热阻2.容量C：引起被控量单位变化时对象贮存量变化的大小。电容：被控量为电容两端电压，贮存量为电荷；C=dq/duo气容：被控量为气体绝对压力，贮存量为容器内贮存气体的重量；C=dw/dp热容：被控量为温度，贮存量为热流量；C=dQ/dθ液容：被控量为流量，贮存量为体积。C=dV/dQ，容器的断面积容量C与过控系统传递函数关

5、系：电容：被控量为输出电压uo；控制量为输入电流i。同理：对于气容被控量为：绝对压力P，控制量为气体流量。热容：被控量为温度，控制量为热流量。液容：被控量为液位h，控制量为流量。3.纯延迟图2-7传送带输送物料的重量控制系统图2-8有纯滞后单容对象具有纯延迟单容对象的微分方程通常表示为其传递函数为无纯滞后有纯滞后图无自衡过程(图2-8)下，故对象具有纯滞后时2.2多容过程的动态特性例：换热器是较有代表性的多容对象图2-9换热器图2-10换热器的容积分布图2-12双容水槽两个水槽的物料平衡方程式为A1=△Qi-△Q1△Qi=k1△x整理可得：T1＝

6、A1R1，，r=消去，得这是一个二阶微分方程式。传递函数为如果输入量经一段距离L，以速度进入对象则有纯滞后，其传递函数为工业生产中大多是多容对象，其传递函数一般表示为G(s)=为简化问题，一般采用等容环节串联来近似n阶多容对象，这时可以认为T1=T2=…Tn=T，则n阶多容对象的传递函数可简单表示为图中n为多容对象的容积个数。图2-11(b)中，通过曲线拐点P作切线，与稳态值y(∞)交于E点，与横坐标交于C点，即得等效时间常数T，容量延迟及纯延迟。总的延迟时间。2.3过程数学模型及其建立方法2.3.1过程数学模型被控对象的数学模型：指工业生产过程

7、的数学模型（特别是动态模型），对象在各个输入量（包括控制量和干扰量）作用下，相应输出量（被控量）变化关系的数学表达式。2.3.2建立过程数学模型的两个基本方法1、机理法2、测试法：（1）经典辨识法（2）现代辨识法获得对象数学模型的两种方法：机理法，测试法。●机理法：根据对象内在机理，通过静态和动态物料平衡或能量平衡关系，以及反应流体流动，传热，化学反应等基本规律的运动方程，物性参数方程和某些设备的特征方程等，从中获得所需的数学模型形式。●测试法：根据对象输入输出的实验数据，通过过程辨识与参数估计的方法，建立对象的数学模型，完全从外特性上测试和描述

8、对象动态特性。2.3.3几个常用的经典辨识法1、由阶跃响应确定传递函数几种典型的工业过程传递函数（1）一阶惯性环节加纯延迟：（2）二阶或