河南工業(yè)大學(xué)過程控制07

1、Process Control System & Instrumentation 主要內(nèi)容n被控過程特性n過程參數(shù)及其對控制性能的影響n過程建模n機理建模 n試驗建模Process Control System & Instrumentation 本節(jié)內(nèi)容在課程中的位置本節(jié)內(nèi)容在課程中的位置n過程控制中，被控過程多種多樣，如鍋爐、過程控制中，被控過程多種多樣，如鍋爐、液體儲罐、加熱器、壓力容器、球磨液體儲罐、加熱器、壓力容器、球磨機機等等形形色色的生產(chǎn)設(shè)備。等等形形色色的生產(chǎn)設(shè)備。Process Control System & Instrumentation 被控過程的數(shù)學(xué)模型n如能掌握過程

2、動態(tài)特性如能掌握過程動態(tài)特性（即被控過程的數(shù)學(xué)模（即被控過程的數(shù)學(xué)模型），將為取得良好的過型），將為取得良好的過程控制性能打下基礎(chǔ)。程控制性能打下基礎(chǔ)。n被控過程的數(shù)學(xué)模型是指被控過程的數(shù)學(xué)模型是指被控過程在輸入（控制量被控過程在輸入（控制量或擾動量）作用下，其輸或擾動量）作用下，其輸出（被控量）出（被控量）隨輸入變化隨輸入變化的的定量定量數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。常數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。常用傳遞函數(shù)表示。用傳遞函數(shù)表示。Process Control System & Instrumentation 被控過程特性 n自衡過程與非自衡過程自衡過程與非自衡過程 n單容和多容過程單容和多容過程 n振蕩和非振蕩過程振蕩

3、和非振蕩過程 n特殊特性過程，如嚴(yán)重的非線性、不穩(wěn)特殊特性過程，如嚴(yán)重的非線性、不穩(wěn)定過程、反向特性過程等。定過程、反向特性過程等。Process Control System & Instrumentation 自衡過程 n當(dāng)擾動發(fā)生后，當(dāng)擾動發(fā)生后，無須外加任何控制作用，過無須外加任何控制作用，過程能夠自發(fā)地趨于新的平衡狀態(tài)的性質(zhì)稱為程能夠自發(fā)地趨于新的平衡狀態(tài)的性質(zhì)稱為自衡性。自衡性。稱該類被控過程為自衡過程。稱該類被控過程為自衡過程。n如圖液位系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)：如圖液位系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)：1)()(TsKsQsHiProcess Control System & Instrumentat

4、ion 非自衡過程n當(dāng)擾動發(fā)生后，被控量不斷變化，最后不再平衡下當(dāng)擾動發(fā)生后，被控量不斷變化，最后不再平衡下來，則該過程無自衡能力，稱非自衡過程。來，則該過程無自衡能力，稱非自衡過程。n如出口加泵的液位系統(tǒng)，如出口加泵的液位系統(tǒng)，液槽要么溢出要么抽干，液槽要么溢出要么抽干，不能重新達(dá)到新的平衡狀態(tài)。其不能重新達(dá)到新的平衡狀態(tài)。其傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)： TsKsQsHi)()(Process Control System & Instrumentation 一個實際的非自衡液位控制系統(tǒng)一個實際的非自衡液位控制系統(tǒng)Process Control System & Instrumentation 單容

5、和多容過程單容和多容過程 n被控過程都具有一定儲存物料或能量的被控過程都具有一定儲存物料或能量的能力，其儲存能力的大小稱為容量。能力，其儲存能力的大小稱為容量。n單容過程，是指只有一個儲蓄容量的過單容過程，是指只有一個儲蓄容量的過程對象。程對象。n若被控過程由多個容積構(gòu)成，則稱為多若被控過程由多個容積構(gòu)成，則稱為多容過程。如兩個液槽系統(tǒng)的串聯(lián)：容過程。如兩個液槽系統(tǒng)的串聯(lián)：) 1)(1()(21STsTKsWProcess Control System & Instrumentation 常見單容或多容數(shù)學(xué)模型 n自衡過程：自衡過程：n非自衡過程：非自衡過程：1)(TSKsW) 1)(1()(

6、21STsTKsWseTSKsW)1()(sesTSTKsW)1)(1()(21TssW1)(sesTsW11)()1(1)(21sTsTsWsesTsTsW)1(1)(21Process Control System & Instrumentation 具有反向特性的過程具有反向特性的過程 n響應(yīng)曲線在一段時間內(nèi)變化方向與其他時間相反。最響應(yīng)曲線在一段時間內(nèi)變化方向與其他時間相反。最典型的是鍋爐汽包液位的反向特性過程：典型的是鍋爐汽包液位的反向特性過程：n冷水增加會引起汽包內(nèi)水的沸騰突然減弱，水中氣泡迅速減冷水增加會引起汽包內(nèi)水的沸騰突然減弱，水中氣泡迅速減少，水位下降。少，水位下降。 n但

7、液位終究會隨著進(jìn)水量的增加而增加，并呈現(xiàn)積分響應(yīng)。但液位終究會隨著進(jìn)水量的增加而增加，并呈現(xiàn)積分響應(yīng)。 Process Control System & Instrumentation 工業(yè)中最常見的被控過程工業(yè)中最常見的被控過程n實踐證明，多數(shù)被控過程具有如下特性：實踐證明，多數(shù)被控過程具有如下特性：n1.被控參數(shù)的變化往往是不振蕩的，單調(diào)的，有慣被控參數(shù)的變化往往是不振蕩的，單調(diào)的，有慣性；性；n2.存在純滯后。存在純滯后。n最常見的數(shù)學(xué)模型：最常見的數(shù)學(xué)模型：n工業(yè)過程中，此類被控過程非常多。許多高階工業(yè)過程中，此類被控過程非常多。許多高階環(huán)節(jié)也可化簡為一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)也可化簡

8、為一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)。 seTSKsW1)(Process Control System & Instrumentation 過程特性對控制性能的影響過程特性對控制性能的影響n放大系數(shù)放大系數(shù)K的影響的影響n時間常數(shù)時間常數(shù)T的影響的影響n純滯后時間純滯后時間的影響的影響1)(sTeKsGosooo1)(sTeKsGfsfffProcess Control System & Instrumentation 控制通道放大系數(shù)的影響n控制通道放大系數(shù)控制通道放大系數(shù) 愈大，表示控制作用愈強。愈大，表示控制作用愈強。但但放大系數(shù)放大系數(shù)太大，會使控制作用對被控變量的太大，會使控制作用對被控變量的影

9、響過強，影響過強，難以保證閉環(huán)系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕難以保證閉環(huán)系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕度度。n擾動通道的放大系數(shù)擾動通道的放大系數(shù) 往往與擾動作用值往往與擾動作用值 一一起考慮。起考慮。在對系統(tǒng)進(jìn)行分析時，應(yīng)該著重考慮在對系統(tǒng)進(jìn)行分析時，應(yīng)該著重考慮（ ）乘積大的擾動，必要時應(yīng)設(shè)法消除這種）乘積大的擾動，必要時應(yīng)設(shè)法消除這種擾動。如采用前饋作用擾動。如采用前饋作用。oKfKffKfProcess Control System & Instrumentation 時間常數(shù)Tn時間常數(shù)一般是因為物料時間常數(shù)一般是因為物料或能量的傳遞需要通過一或能量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的，反映定的阻力而引起的，反

10、映被控變量變化快慢的一個被控變量變化快慢的一個動態(tài)參數(shù)。動態(tài)參數(shù)。n數(shù)值上等于當(dāng)過程受到階數(shù)值上等于當(dāng)過程受到階躍輸入作用后，被控變量躍輸入作用后，被控變量如果保持初始速度變化，如果保持初始速度變化，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時間?；颍洪g?；颍簄當(dāng)對象受到階躍輸入作用當(dāng)對象受到階躍輸入作用后，被控變量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)后，被控變量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值的值的63.2%所需時間。所需時間。Process Control System & Instrumentation 控制通道時間常數(shù)的影響n 主要影響控制過程的快慢，主要影響控制過程的快慢， 越大，則過渡越大，則過渡過程越緩慢平穩(wěn)，系統(tǒng)越易穩(wěn)定。

11、過程越緩慢平穩(wěn)，系統(tǒng)越易穩(wěn)定。 n如有多個時間常數(shù)，則最大的時間常數(shù)決定過如有多個時間常數(shù)，則最大的時間常數(shù)決定過程的快慢。程的快慢。時間常數(shù)拉得越開，則越接近一階時間常數(shù)拉得越開，則越接近一階環(huán)節(jié)，系統(tǒng)越易穩(wěn)定。環(huán)節(jié)，系統(tǒng)越易穩(wěn)定。n目前，目前，被控過程多在向大型化方向發(fā)展，被控過程多在向大型化方向發(fā)展，時間時間常數(shù)相應(yīng)加大。常數(shù)相應(yīng)加大。這樣一來，整個控制系統(tǒng)得以這樣一來，整個控制系統(tǒng)得以簡化而且單臺設(shè)備也易于控制，生產(chǎn)波動小，簡化而且單臺設(shè)備也易于控制，生產(chǎn)波動小，穩(wěn)定性增加。穩(wěn)定性增加。oToTProcess Control System & Instrumentation 擾動通道時

12、間常數(shù)的影響n如果如果 ，則，則 等效于一個濾波等效于一個濾波器，能使過渡過程的波形趨于平緩；反器，能使過渡過程的波形趨于平緩；反之成為一個微分器，將使波形更為陡峭。之成為一個微分器，將使波形更為陡峭。 的比值越大，過渡過程的品質(zhì)越好。的比值越大，過渡過程的品質(zhì)越好。 )()()()(1)()()(1)()()(sGsGsGsGsGsGsGsGsFsYofocoocf)()(1)()()(sGsGsGsUsYocofToT)()(sGsGofofTTProcess Control System & Instrumentation 純滯后時間的影響n純滯后的產(chǎn)生一般是由于介質(zhì)的輸送或熱的傳純滯后

13、的產(chǎn)生一般是由于介質(zhì)的輸送或熱的傳遞需要一段時間引起的，是反映對象動態(tài)特性遞需要一段時間引起的，是反映對象動態(tài)特性的另一個重要參數(shù)。的另一個重要參數(shù)。 n 的存在不利于控制。的存在不利于控制。當(dāng)當(dāng) 0.3時時，系統(tǒng)，系統(tǒng)較易控制較易控制， 0.5則需要復(fù)雜控制系統(tǒng)或特殊則需要復(fù)雜控制系統(tǒng)或特殊控制規(guī)律?？刂埔?guī)律。單獨討論單獨討論純滯后時間是沒有意義的。純滯后時間是沒有意義的。n擾動通道的純滯后擾動通道的純滯后 不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量，不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量，僅使擾動的發(fā)生推遲而已僅使擾動的發(fā)生推遲而已。oooTooTfProcess Control System & Instrumentation

14、 建立過程數(shù)學(xué)模型的目的 n指導(dǎo)過程控制系統(tǒng)方案指導(dǎo)過程控制系統(tǒng)方案設(shè)計；設(shè)計；n系統(tǒng)調(diào)試和調(diào)節(jié)器參數(shù)系統(tǒng)調(diào)試和調(diào)節(jié)器參數(shù)整定；整定； n指導(dǎo)工藝生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)指導(dǎo)工藝生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計計；n先進(jìn)控制理論的應(yīng)用和先進(jìn)控制理論的應(yīng)用和優(yōu)化研究；優(yōu)化研究；n系統(tǒng)仿真，操作員前期系統(tǒng)仿真，操作員前期或離線培訓(xùn)等?；螂x線培訓(xùn)等。Process Control System & Instrumentation 過程數(shù)學(xué)模型的求取方法 n1.機理建模法機理建模法n根據(jù)過程的內(nèi)在機理，通過靜態(tài)與動態(tài)物料根據(jù)過程的內(nèi)在機理，通過靜態(tài)與動態(tài)物料平衡和能量平衡關(guān)系求取過程的數(shù)學(xué)模型。平衡和能量平衡關(guān)系求取過程的數(shù)學(xué)模型

15、。也稱也稱“白箱模型白箱模型”。n2.試驗建模法試驗建模法n根據(jù)過程輸入、輸出數(shù)據(jù)，通過過程辨識與根據(jù)過程輸入、輸出數(shù)據(jù)，通過過程辨識與參數(shù)估計的方法建立被控過程的數(shù)學(xué)模型。參數(shù)估計的方法建立被控過程的數(shù)學(xué)模型。也稱也稱“黑箱模型黑箱模型”。n3.混合建模法混合建模法 Process Control System & Instrumentation 機理建模法的特點機理建模法的特點n設(shè)備在設(shè)計階段就能建立模型，對新設(shè)備的研設(shè)備在設(shè)計階段就能建立模型，對新設(shè)備的研究和設(shè)計具有重要意義；究和設(shè)計具有重要意義；n適用于不允許進(jìn)行試驗的場合；適用于不允許進(jìn)行試驗的場合；n要求建模者應(yīng)有相應(yīng)學(xué)科（物理、

16、化學(xué)等）的要求建模者應(yīng)有相應(yīng)學(xué)科（物理、化學(xué)等）的知識；知識；n實際過程的機理一般難以全面了解，故適用于實際過程的機理一般難以全面了解，故適用于簡單過程的建模；簡單過程的建模；n機理建模得到的模型必需得到試驗驗證。機理建模得到的模型必需得到試驗驗證。Process Control System & Instrumentation 試驗建模法的特點試驗建模法的特點n無需了解被控過程復(fù)雜的內(nèi)部機理；無需了解被控過程復(fù)雜的內(nèi)部機理；n易于操作，工程上一般采用此法，主要易于操作，工程上一般采用此法，主要有階躍響應(yīng)曲線法和矩形脈沖響應(yīng)曲線有階躍響應(yīng)曲線法和矩形脈沖響應(yīng)曲線法。法。n需設(shè)計合理的試驗，以獲

17、取最大的輸入需設(shè)計合理的試驗，以獲取最大的輸入/輸出信息量；輸出信息量；n但對不允許試驗的工藝過程無能為力。但對不允許試驗的工藝過程無能為力。Process Control System & Instrumentation 機理建模的物料平衡關(guān)系機理建模的物料平衡關(guān)系n靜態(tài)物料（或能量）平衡關(guān)系：靜態(tài)物料（或能量）平衡關(guān)系：n單位時間內(nèi)進(jìn)入被控過程的物料（或能量）單位時間內(nèi)進(jìn)入被控過程的物料（或能量）等于單位時間內(nèi)從被控過程流出的物料（或等于單位時間內(nèi)從被控過程流出的物料（或能量）。能量）。 n動態(tài)物料（或能量）平衡關(guān)系：動態(tài)物料（或能量）平衡關(guān)系：n單位時間內(nèi)進(jìn)入被控過程的物料（或能量）單位

18、時間內(nèi)進(jìn)入被控過程的物料（或能量）減去單位時間內(nèi)從被控過程流出的物料（或減去單位時間內(nèi)從被控過程流出的物料（或能量）等于被控過程內(nèi)物料（或能量）存儲能量）等于被控過程內(nèi)物料（或能量）存儲量的變化率。量的變化率。Process Control System & Instrumentation 機理建模舉例機理建模舉例n設(shè)進(jìn)水和出水的體積設(shè)進(jìn)水和出水的體積流量分別是流量分別是 和和 ，輸出量為液位輸出量為液位h，儲，儲罐的橫截面積為罐的橫截面積為A。試建立該液體儲罐的試建立該液體儲罐的數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型：iqoq)()(sQsHiProcess Control System & Instrumen

19、tation 儲罐液位的動態(tài)物料平衡關(guān)系儲罐液位的動態(tài)物料平衡關(guān)系n液位的變化滿足動態(tài)物料平衡關(guān)系：液位的變化滿足動態(tài)物料平衡關(guān)系：n液罐內(nèi)蓄液量的變化率液罐內(nèi)蓄液量的變化率=單位時間內(nèi)液體流單位時間內(nèi)液體流入量入量-單位時間內(nèi)液體流出量：單位時間內(nèi)液體流出量：n以增量形式表示各變量偏離起始穩(wěn)態(tài)值的程以增量形式表示各變量偏離起始穩(wěn)態(tài)值的程度。即：度。即：n式中，式中，oiqqdtdhAoiqqdthdAhkqoProcess Control System & Instrumentation 液位與流出量之間的線性化液位與流出量之間的線性化n可見，液位與流出量之間存在非線性，對可見，液位與流出量

20、之間存在非線性，對非線性項進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，并取線性部非線性項進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，并取線性部分：分：n則：則：n定義：定義： ；稱為液阻（出口閥）；稱為液阻（出口閥）hhkqhhdtdqqhkqohhooo000002)(hhkqqqooo002RhksHsQo12)()(0RProcess Control System & Instrumentation 儲罐液位的數(shù)學(xué)模型儲罐液位的數(shù)學(xué)模型n整理得：整理得：n整理并省略增量符號，得：整理并省略增量符號，得：RhqdthdAiiRqhdtdhRA1)()(RAsRsQsHiProcess Control System & Instrumenta

21、tion 試驗建模試驗建模階躍響應(yīng)曲線法階躍響應(yīng)曲線法 n被控過程必須已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)；被控過程必須已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)；n通常取階躍信號值為正常輸入信號的通常取階躍信號值為正常輸入信號的515%，以不影響生產(chǎn)為準(zhǔn)；，以不影響生產(chǎn)為準(zhǔn)； n應(yīng)在相同的測試條件下重復(fù)幾次應(yīng)在相同的測試條件下重復(fù)幾次；n正、反方向變化時分別測出其響應(yīng)曲線。正、反方向變化時分別測出其響應(yīng)曲線。 Process Control System & Instrumentation 由階躍響應(yīng)曲線獲取特征參數(shù)由階躍響應(yīng)曲線獲取特征參數(shù) n1.切線法確定一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)的切線法確定一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)的特征參數(shù)；特征參數(shù)；

22、n2.兩點法確定一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)的兩點法確定一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)的特征參數(shù)；特征參數(shù)；n3.兩點法確定二階慣性加純滯后環(huán)節(jié)的兩點法確定二階慣性加純滯后環(huán)節(jié)的特征參數(shù)。特征參數(shù)。Process Control System & Instrumentation 切線法確定一階環(huán)節(jié)特征參數(shù)切線法確定一階環(huán)節(jié)特征參數(shù)n特點：特點：n作圖法簡單直觀，應(yīng)作圖法簡單直觀，應(yīng)用較廣；用較廣；n但擬合度較差；且有但擬合度較差；且有較大的隨意性。較大的隨意性。uyyK)0()(Process Control System & Instrumentation 兩點法確定一階兩點法確定一階環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)特征參數(shù)特征參數(shù)nK求法同前。求法同前。n為便于處理，首先將為便于處理，首先將 轉(zhuǎn)換成無量綱形轉(zhuǎn)換成無量綱形式式 ，即，即 n為了求出上式中兩個參數(shù)為了求出上式中兩個參數(shù) 和和 ，需要，需要建立兩個方程聯(lián)立求解。建立兩個方程聯(lián)立求解。)()()(*ytyty)(ty)(* tyTtety10)(*)()(ttTProcess Control System & Instrumentation 兩點法確定一階兩點法確定一階環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)特征參數(shù)特征參數(shù)n選擇兩個時刻選擇兩個時刻 和和 ，并且，并且 n解得：解得：1t2t2t1tTtT