过程控制第二章（过程建模与过程特性）ppt课件.ppt

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1、过程控制第二章过程建模与过程特性2.1典型受控过程2.1.1过程的数学描述数学模型数学模型就是对对象本质的抽象。工业过程的数学描述动态数学模型：输出和输入之间随时间变化的数学关系；静态数学模型：输出和输入不随时间变化的数学关系。输入输出数学模型被控变量操纵变量扰动变量过程特性被控过程中输入量发生变化时，过程输出量的变化规律。被控过程常见种类：换热器、锅炉、精馏塔、化学反应器、储液槽罐、加热炉等。通道：被控过程的输入量和输出量之间的信号联系控制通道--操纵变量至被控变量的信号联系扰动通道--扰动变量至被控变量的信号联

2、系建立数学模型的目的（1）进行工业过程优化操作；（2）控制系统方案的设计和仿真研究；（3）控制系统的调试和控制器参数的整定；（4）作为模型预测控制等先进控制方法的数学模型；（5）工业过程的故障检测与诊断；（6）设备启动与停车的操作方案；（7）操作人员的培训系统。过程特性的类型在阶跃信号作用下的四种典型类型：1.自衡的非振荡过程2.无自衡的非振荡过程3.有自衡的振荡过程4.具有反向特性的过程单容过程1.自衡的非振荡过程在阶跃信号的作用下，被控变量c(t)不振荡，逐渐向新的稳态值c（∞）靠近。自衡的传递函数可以写为hQ

3、1Q2tthQ1液位过程自衡的非振荡过程2.无自衡的非振荡过程在阶跃信号的作用下，被控变量C(t)会一直上升或下降，直到极限值。无自衡的过程传递函数一般可写成C(t)t缺乏自平衡能力，难以控制3.自衡的振荡过程4.具有反向特性的过程汽包给水蒸汽加热室过程特性参数对象模型由三个基本参数决定：K(比例系数)、T（时间常数）、τ（时滞）利用三个基本参数来描述对象特性对过渡过程的影响K对过渡过程的影响阶跃输入作用下，对象输出达到新的稳定值时，输出变化量与输入变化量之比，称为静态增益（输出静态变化量与输入静态变化量之比）。

4、u广义对象fyK其它参数不变控制通道放大系数干扰通道放大系数KO越大控制变量u对被控变量y的影响越灵敏控制能力强Kf越大干扰f对被控变量y的影响越灵敏。在设计控制系统时，应合理地选择KO使之大些，抗干扰能力强，太大会引起系统振荡。T对过渡过程的影响时间常数：在阶跃输入作用下，对象输出达到最终稳态变化量的63.2％所需要的时间。一般情况希望TO小些，但不能太小，Tf大些。T（其它参数不变）时间常数T是反映响应变化快慢或响应滞后的重要参数。用T表示的响应滞后称阻容滞后（容量滞后），T大反应慢，难以

5、控制；T小反应块。控制通道TO大响应慢、控制不及时、过渡时间tp长、超调量大控制通道TO小响应快、控制及时、过渡时间tp短、超调量小控制通道TO太小响应过快、容易引起振荡、降低系统稳定性。干扰通道的时间常数对被控变量输出的影响也是相类似的。τ对过渡过程的影响产生纯滞后的原因：物料输送等中间过程产生大时间常数对象所表现出来的等效纯滞后。物料输送产生的纯滞后比较容易理解，实际对象由于多容的存在也会使响应速度变慢，尤其是初始响应被大大延迟，在动态特性上也可近似作为纯滞后看待。事实上，广义等效的等效纯滞后就包括了

6、以上二个部分之和。控制通道纯滞后对控制肯定不利，纯滞后增大控制质量恶化、超调量大干扰通道的纯滞后对系统响应影响不大，因为干扰本身是不确定的，可以在任何时间出现。在工艺设计时，应尽量减少或避免纯滞后时间。如：简化工艺、减少不必要的环节，以利于减少控制通道的滞后时间，如：在选择控制阀与检测点的安装位置时，应选取靠近控制对象的有利位置。2.2过程数学模型的建立两种方法：机理建模方法和实验建模方法1.机理建模法：根据工业生产过程中涉及的反应机理，利用各种平衡方程，如物质平衡方程、能量平衡方程、相平衡方程以及反应过程运

7、动规律的相关方程，获取所需要的数学模型。（白箱法）最基本关系：物料平衡和能量平衡优点：具有非常明确的物理意义，所得的模型具有很大的适应性，便于对模型参数进行调整。缺点：对于某些对象，人们还难以写出它们的数学表达式，或者表达式中的某些系数还难以确定时，不适用。机理建模的步骤：1.根据要研究的对象和模型将要使用的目的作出一定的合理假设。2.根据过程内在机理建立数学模型（依据物料、能量和动量平衡关系式及化学反应动力学）。系统内物料（或能量）蓄藏量的变化率=单位时间内进入系统的物料量（或能量）-单位时间内由系统流出的物料量

8、（或能量）+单位时间内系统产生的物料量（或能量）。3.对模型进行适当的简化（保证模型简单）。对象机理数学模型的建立问题：处于平衡状态的对象加入干扰以后，不经控制系统能否自行达到新的平衡状态？左图：假设初始为平衡状态qi=qo，水箱水位保持不变。当发生变化时(qi＞qo)，此时水箱的水位开始升高根据流体力学原理，水箱出口流量与H是存在一定的对应关系的：因此，q