浙大工業(yè)過程控制3過程動態(tài)特性分析課件

1、過程動態(tài)特性建模與分析（Process Characteristics）戴連奎浙江大學智能系統(tǒng)與決策研究所2022/7/281課件上一講內(nèi)容回顧控制系統(tǒng)的設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語（中英文）控制系統(tǒng)的主要分類與設計過程2022/7/282課件復習題對于如圖所示的壓力控制系統(tǒng)，假設貯罐溫度不變，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。2022/7/283課件本講基本要求了解典型工業(yè)過程的動態(tài)特性類型；掌握簡單被控過程的機理建模方法；掌握調節(jié)閥“氣開、氣關”形式與流量特性的

2、選擇原則；掌握“廣義對象”概念及其動態(tài)特性的典型測試方法。2022/7/284課件單回路控制系統(tǒng)組成2022/7/285課件被控對象動態(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、傳質等基本規(guī)律的運動方程，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確。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。2022/7/

3、286課件對象機理建模舉例#1（p. 28） 物料平衡方程： 流體運動方程：討論問題：（1）線性化的意義？如何線性化？（2）如何用Matlab 或 SimuLink 表示該過程？（參見SimulationProcessModel LevelProcess01.mdl）2022/7/287課件對象機理建模舉例#2 物料平衡方程： 流體運動方程：仿真參見 ProcessModel LevelProcess02.mdl問題：狀態(tài)方程？線性化？2022/7/288課件機理建模舉例#3：非自衡過程物料平衡方程：2022/7/289課件氣動調節(jié)閥的結構u(t)：控制器輸出 ( 420 mA 或 010 m

4、A DC)；pc ：調節(jié)閥氣動控制信號；l：閥桿相對位置； f ：相對流通面積；q ：受調節(jié)閥影響的管路相對流量。2022/7/2810課件閥門的“氣開”與“氣關”1. 氣開閥與氣關閥 * 氣開閥： pc f (“有氣則開”) * 氣關閥： pc f (“有氣則關”) 無氣源( pc = 0 )時，氣開閥全關，氣關閥全開。2. 氣開閥與氣關閥的選擇原則 * 若無氣源時，希望閥全關，則應選擇氣開閥，如加熱爐瓦斯氣調節(jié)閥；若無氣源時，希望閥全開，則應選擇氣關閥，如加熱爐進風蝶閥。2022/7/2811課件調節(jié)閥的結構特性調節(jié)閥結構特性：閥芯與閥座間的節(jié)流面積和閥門開度之間的函數(shù)關系。f 為相對節(jié)流

5、面積；l 為相對開度： 線性閥（線1）： 等百分比閥或稱對數(shù)閥（線2）：2022/7/2812課件調節(jié)閥的工作流量特性分析閥阻比 S100：調節(jié)閥全開時的兩端壓降與系統(tǒng)總壓降之比，即2022/7/2813課件調節(jié)閥工作流量特性（續(xù)）線性閥的特性變異對數(shù)閥的特性變異2022/7/2814課件調節(jié)閥流量特性總結 線性閥：在理想情況下，調節(jié)閥的放大增益Kv與閥門開度無關；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。 對數(shù)閥：在理想情況下，調節(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)。2

6、022/7/2815課件調節(jié)閥流量特性的選擇原則 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。熱平衡方程：Kp：控制通道增益2022/7/2816課件“廣義對象”的概念2022/7/2817課件“廣義對象” 的特點特點：（1）使控制系統(tǒng)的設計與分析簡化； （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）只關心某些特定的輸入輸出變量。2022/7/2818課件“廣義對象”動態(tài)特性的階躍響應測試法*典型自衡工業(yè)對象的階躍響應 對象的近似模型：對應參數(shù)見左圖，而增益為：ymi

7、n, 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。2022/7/2819課件“廣義對象” 動態(tài)特性的矩形脈沖響應測試法SISO 對象模型構造與動態(tài)響應仿真參見 ProcessModelOpenLoopResp.mdl2022/7/2820課件過程控制廣義對象動態(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2022/7/2821課件無振蕩自衡過程模型2022/7/2822課件無振蕩非自衡過程模型2022/7/2823課件具有反向特性的非自衡過程模型2022/7/2824課件工業(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曲線，除流量對象外的被調量的變化相對緩慢；被控對象往往具有非線性、不確定性與時變等特性。2022/7/2825課件結 論介紹了簡單被控過程的機理建模方法與線性化問題；討論了調節(jié)閥“氣開、氣關”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)