過程動態(tài)特性分析過程控制自動化

1、上一講內(nèi)容回顧控制系統(tǒng)的設(shè)計目的單回路控制系統(tǒng)的組成、方塊圖描述法及方塊圖中線與方框圖的物理意義過程控制中的常用術(shù)語（中英文）控制系統(tǒng)的主要分類與設(shè)計過程復習題PCPP1P2PspPmuKv1Kv2F1F2對于如圖所示的壓力控制系統(tǒng)，假設(shè)貯罐溫度不變，主要干擾為P1、P2。試指出該系統(tǒng)中的被控變量、操縱變量、擾動變量與被控對象，并畫出該系統(tǒng)的方塊圖。TC進料出料燃料TTmTspRfu對于如圖所示的加熱爐溫度控制系統(tǒng)，試(1)指出該系統(tǒng)中的被控對象、被控變量、操縱變量、擾動變量;(2)畫出該系統(tǒng)的方塊圖本章基本要求典型工業(yè)過程的動態(tài)特性類型；簡單被控過程的機理建模方法調(diào)節(jié)閥的選擇原則廣義對象的概

2、念及其動態(tài)測試單回路控制系統(tǒng)組成控制器Gc (s)執(zhí)行器Gv (s)控制通道Gp (s)測量變送Gm (s)設(shè)定值ysp偏差 e+_控制變量u操縱變量q被控變量y測量值ym擾動 D干擾通道GD (s)+被控對象過程控制對象動態(tài)特性分類自衡過程（Self-Regulating Processes）(1) 無振蕩的自衡過程(2) 有振蕩的自衡過程非自衡過程（Non-Self-Regulating Processes）(1) 無振蕩的非自衡過程(2) 有振蕩的非自衡過程(3) 具有反向特性的非自衡過程自衡性：輸入發(fā)生變化時，無需外加任何控制作用，過程能自發(fā)趨于平衡狀態(tài)的性質(zhì)。 無振蕩自衡過程模型sP

3、eTsKsG1)(sPesTsTKsG) 1)(1()(21snPeTsKsG) 1()(無振蕩非自衡過程模型sPeTssKsG) 1()(sPeTsKsG)(具有反向特性的非自衡過程模型sPesTssTKsG) 1() 1()(10工業(yè)過程控制對象的特點除液位對象外的大多數(shù)被控對象本身是穩(wěn)定自衡對象；對象動態(tài)特性存在不同程度的純遲延；對象的階躍響應通常為單調(diào)曲線，除流量對象外的被調(diào)量的變化相對緩慢；被控對象往往具有非線性、不確定性與時變等特性。被控對象動態(tài)建模方法機理建模原理：根據(jù)過程的工藝機理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流體流動、傳熱、傳質(zhì)等基本規(guī)律的運動方程

4、，由此獲得被控對象的動態(tài)數(shù)學模型。特點：概念明確、適用范圍寬，要求對該過程機理明了。測試建模原理：對過程的輸入（包括控制變量與擾動變量）施加一定形式的激勵信號，如階躍、脈沖信號等，同時記錄相關(guān)的輸入輸出數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)進行處理，由此獲得對象的動態(tài)模型。特點：無需深入了解過程機理，但適用范圍小，模型準確性有限。機理建模的步驟根據(jù)建模的對象和模型使用的目的進行合理的假設(shè) ；根據(jù)過程的內(nèi)在機理建立數(shù)學方程；進行自由度分析，保證模型有解；簡化模型。對象機理建模舉例#1#1000000,ioiiioooQQhhhQQQQQQ iod hAQQdt HQiQoAoiQQdtdHAHkQon 物料平衡方程

5、物料平衡方程：n 流體運動方程流體運動方程：對象機理建模舉例#1(#1(續(xù)) )iood hAQQdtQkH 線性化：000002oooh hodQkQk hQhhQhdhh02iid hkhAQhQdtRh ( )( )1iH sRQ sRAs一階過程的描述一階過程通常的描述方式為：( )1KG sTs( )( )1iH sRQ sRAs過程增益K時間常數(shù)T#1#1舉例的simulinksimulink仿真( )( )1iH sRQ sRAs()()finalinitialfinalinitialOutput centKInput centOOcentIIcent無振蕩的自衡過程K反映了輸出

6、變化的幅度#1#1舉例的simulinksimulink仿真（續(xù)）( )( )1iH sRQ sRAs時間常數(shù)T反映了輸出變化的快慢工程中常見的一階對象對象機理建模舉例#2#2121121,iodHdHAQQAQQdtdt11122,oQkHQkH1111221122( ),( )1( )1( )11iiH sRQ sAR sHsRQ sAR sA R sn 物料平衡方程物料平衡方程：n 流體運動方程流體運動方程：#2#2舉例的simulinksimulink仿真無振蕩的自衡過程假設(shè)A=1，R12，R2=4高階過程010203040504550556065Ti(t)01020304050455

7、0556065T1(t)010203040504550556065T2(t)010203040504550556065T5(t)Time, min( )( )1sO sKeI sTs1( )( )(1)niiO sKI sTs12( )( )(1)(1)sO sKeI sTsT s工程上常見的二階過程機理建模舉例#3#30QQdtdhAi物料平衡方程：( )( )( )ioQ sQ sH sAsAs無振蕩的非自衡過程SimuLinkSimuLink的使用介紹熟悉與掌握系統(tǒng)所提供的SimuLink常用模塊，如輸入信號、輸出顯示、傳遞函數(shù)模塊、常用數(shù)學函數(shù)等；掌握SimuLink運行數(shù)據(jù)與Matl

8、ab數(shù)據(jù)平臺的聯(lián)結(jié)，以及Matlab常用的作圖方法；了解子系統(tǒng)的封裝技術(shù)；子系統(tǒng)子系統(tǒng)：將模型中的部分或全部壓縮成一個模塊，這個模塊稱為子系統(tǒng)。這樣就用該子系統(tǒng)模塊來代替選中的模型組。封裝技術(shù)是將Simulink子系統(tǒng)包裝成一個模塊，并可以如同使用Simulink內(nèi)部模塊一樣使用的一種技術(shù)。每個封裝模塊都可以有一個自定義的圖標和一個用來設(shè)定參數(shù)的對話框。氣動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)u(t)：控制器輸出 ( 420mA 或 010mADC)；pc ：調(diào)節(jié)閥氣動控制信號；l：閥桿相對位置； f ：相對流通面積；q ：受調(diào)節(jié)閥影響的管路相對流量。執(zhí)行機構(gòu)電氣轉(zhuǎn)換器閥體管路系統(tǒng)u(t)pclfq執(zhí)行機構(gòu)閥體.pc

9、閥門的“氣開”與“氣關(guān)”1. 氣開閥與氣關(guān)閥氣開閥與氣關(guān)閥 * 氣開閥： pc f (“有氣則開”) * 氣關(guān)閥： pc f (“有氣則關(guān)”) 無氣源( pc = 0 )時，氣開閥全關(guān)，氣關(guān)閥全開。2. 氣開閥與氣關(guān)閥的選擇原則氣開閥與氣關(guān)閥的選擇原則 * 若無氣源時若無氣源時，希望閥全關(guān)，則應選擇氣開閥希望閥全關(guān)，則應選擇氣開閥；若無氣若無氣源時，希望閥全開，則應選擇氣關(guān)閥源時，希望閥全開，則應選擇氣關(guān)閥。調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)選擇TC進料出料燃料TTmTspRfu調(diào)節(jié)閥的理想流量特性調(diào)節(jié)閥理想流量特性調(diào)節(jié)閥理想流量特性：通過控制閥的流量和閥門開度之間的函數(shù)關(guān)系。f 為相對流量；l 為相對開度：n

10、 線性閥線性閥（1）：n 等百分比閥或稱對數(shù)閥等百分比閥或稱對數(shù)閥（2）：調(diào)節(jié)閥的工作流量特性分析調(diào)節(jié)閥的工作流量特性分析閥阻比閥阻比 S100：調(diào)節(jié)閥全開時的兩端壓降與系統(tǒng)總壓降之比，即10010010010011pppppSeepSepppSpep0Qp調(diào)節(jié)閥工作流量特性（續(xù)）LlQQKv/max100806040200204060801003.3q 100l 100S100= 10.750.500.20100806040200204060801003.3q 100l 100S100= 10.800.500.20線性閥的特性變異對數(shù)閥的特性變異調(diào)節(jié)閥流量特性總結(jié)n 線性閥：線性閥：在理想情

11、況下，調(diào)節(jié)閥的放大增益Kv與閥門開度無關(guān)；而隨著管路系統(tǒng)閥阻比的減少，當開度到達50 70%時，流量已接近其全開時的數(shù)值，即Kv隨著開度的增大而顯著下降。n 對數(shù)閥：對數(shù)閥：在理想情況下，調(diào)節(jié)閥的放大增益Kv隨著閥門開度的增大而增加；而隨著管路系統(tǒng)閥阻比的減少， Kv 漸近于常數(shù)。調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇原則n 選擇原則：選擇原則：僅當對象特性近似線性而且閥阻比大于 0. 60 以上（即調(diào)節(jié)閥兩端的壓差基本不變），才選擇線性閥，如液位控制系統(tǒng)；其他情況大都應選擇對數(shù)閥。“廣義對象”的概念控制器GC (s)執(zhí)行器GV (s)控制通道GP (s)測量變送Gm (s)ysp(t)+_u(t)q(t)擾動

12、D(t)干擾通道GD (s)+廣義對象y(t)ym (t)特點：（1）使控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析簡化； （2）廣義對象的輸入輸出通?？蓽y量，以便于 測試其動態(tài)特性； （3）只關(guān)心某些特定的輸入輸出變量。廣義對象的描述控制器GC (s)控制通道GP 1 (s)偏差 e+_擾動 D干擾通道GD 1 (s)+廣義對象ysp(t)ym (t)u(t)可用一階加純滯后模型來描述廣義對象：1)(G0000psTeKspsp過程增益的計算(2025)T/hr(12 10)mAT/hr2.5mAfinalinitpfinalinityyKuu 1)(G0000psTeKspsp過程的時間常數(shù)1spppK eGT

13、s過程的時間滯后 1spppK eGT s“廣義對象”動態(tài)特性的-階躍響應測試法1tt0u(t)y(t)y0y1u0u1T0T3T1T2TpseTsKsusy1)()(n 對象的近似模型：對應參數(shù)見左圖，而增益為：典型自衡工業(yè)對象的階躍響應minmax01minmax01uuuuyyyyKymin, ymax為CV的測量范圍；umin, umax為MV的變化范圍，對于閥位開度通常用0100%表示。歸一化后階躍響應測試法2010203040504550556065%Controller Output01020304050148150152154156158160time, minCentHeat Exchanger Outlet Temp.63.2% 28.3% T0 T1 T2 0.6320PtTT0.6320.2831.5PTtt“廣義對象” 動態(tài)特性的矩形脈沖響應測試法結(jié) 論介紹了簡單被控過程的機理建模方法與線性化問題；討論了調(diào)節(jié)閥“氣開、氣關(guān)”形式與流量特性的選擇原則；講述了“廣義對象”的概念及其動態(tài)特性的典型測試方法。R12C1C2h1h2R3Q3R2Q2Q12Q1R1)()()(12sQsHsGp題1