熱工過程控制系統(tǒng)-第四章被控過程

第四章被控過程4.1被控過程特性4.2被控對象動態(tài)建模方法4.3過程特性參數(shù)的物理意義4.4過程機理建模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“廣義對象”概念及其動態(tài)特性的典型測試方法。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4.1被控過程特性4.1.1過程控制動態(tài)特性分類自衡過程（Self-RegulatingProcesses）定義：當擾動發(fā)生后，被控變量不斷變化最后達到新的平衡。

非自衡過程（Non-Self-RegulatingProcesses）定義：當擾動發(fā)生后，被控變量不會達到新的平衡。

自衡過程這是一個自衡過程，為何?hQiQoy(t)u(t)自衡過程hQiQoy(t)u(t)

自衡過程hQiQoy(t)u(t)

拉氏變換：一階慣性環(huán)節(jié)非自衡過程LChQiQoyspy(t)u(t)非自衡過程LChQiQoyspy(t)u(t)

一階積分環(huán)節(jié)具有反向特性的過程模型具有反向特性的過程模型蒸汽汽包給水加熱室LC4.1.2單容過程與多容過程容量：被控過程都有一定儲存物料或能量的能力，起儲存能力的大小，稱為容量。單容過程：只有一個儲蓄容量的過程多容過程：有兩個或多個儲蓄容量的過程多容過程舉例Ex.1H1QiQ1A1H2Q2A2多容過程舉例Ex.1多容過程的數(shù)學描述高階模型:二階加滯后模型一階加滯后模型單容滯后過程的數(shù)學描述

一階慣性滯后環(huán)節(jié)4.1.3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。4.1.4過程典型參數(shù)及其對控制的影響數(shù)學模型的放大系數(shù)K在數(shù)值上等于過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時輸出變化量與輸入變化量之比，是描述過程靜態(tài)特性的參數(shù)。放大系數(shù)愈大，表示控制作用愈靈敏。但放大系數(shù)太大，會使控制作用對被控變量的影響過強，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。選擇被控過程的放大系數(shù)可適當大一些，但可由控制器的放大系數(shù)來補償。擾動通道的靜態(tài)放大系統(tǒng)Kf大對控制不利。數(shù)學模型的時間常數(shù)T當對象受到階躍輸入作用后，被控變量達到新穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需時間。反映被控變量變化快慢的一個重要動態(tài)參數(shù)。T大則變化平穩(wěn)；反之則過于激烈。C(t)C()t63.2%T數(shù)學模型的時間常數(shù)T目前，被控過程多在向大型化方向發(fā)展，時間常數(shù)T相應加大。這樣一來，整個控制系統(tǒng)得以簡化而且單臺設備也易于控制，生產(chǎn)波動小，穩(wěn)定性增加。擾動通道的容積愈大，則擾動對被控參數(shù)的影響愈?。ū灰浑A慣性濾波掉），控制質量愈好，所以應使擾動作用點位置遠離被控參數(shù)。數(shù)學模型的純滯后時間τ純滯后的產(chǎn)生一般是由于介質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)特性的另一個重要參數(shù)。

當時，系統(tǒng)較易控制，反之則需要復雜控制系統(tǒng)或特殊控制規(guī)律。單獨討論純滯后時間是沒有意義的。擾動通道的純滯后不影響系統(tǒng)的控制質量，僅使擾動的發(fā)生推遲而已。C(t)C(∞)t4.2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。試驗建模

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。仿真4.2.1對象機理建模舉例#1

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？HQiQoA對象機理建模舉例#2

物料平衡方程：

流體運動方程：問題：狀態(tài)方程？線性化？H1QiQ1A1H2Q2A24.2.2過程時域響應（實驗）建模把研究對象看成一個黑箱，通過施加不同的輸入信號，研究對象的輸出響應信與輸入激勵信號之間的關系，估計出系統(tǒng)的數(shù)學模型。1）階躍擾動法QoRHQi2）矩形脈沖法abct1t2施加干擾時間短，幅度可以大一些提高實驗精度3）周期擾動法施加周期信號作為擾動，常用的信號源有矩形脈沖波、正弦波（可直接獲得頻率特性）等。其它方法最小二乘法等控制器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D(t)干擾通道GD(s)++廣義對象y(t)ym(t)“廣義對象”的概念特點：（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?！皬V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：[ymin,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0~100%表示。tt0u(t)y(t)y0y1u0u1T0T3T1T2τTp“廣義對象”動態(tài)特性的

矩形脈沖響應測試法4.3過程特性參數(shù)的物理意義過程特性參數(shù)1）放大倍數(shù)KtaQibK越大表明輸入信號對輸出的控制越強過程增益計算1051015202530354045502530354045T/hrInletFlow0510152025303540455046810Time,minmeterLiquidLevel過程增益計算2051015202530354045503040506070%ValvePosition0510152025303540455046810Time,minmeterLiquidLevel過程增益的注意事項過程增益描述輸出變量隨輸入變量變化的靈敏度。過程增益包含三部分:信號,數(shù)值和單位.過程增益只和穩(wěn)態(tài)值有關，因此過程增益是描述過程穩(wěn)態(tài)特性的參數(shù).2）數(shù)學模型的時間常數(shù)T當對象受到階躍輸入作用后，被控變量達到新穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需時間。C(t)C()t63.2%T2）時間常數(shù)（T）一階系統(tǒng)的微分方程，當輸入為單位階躍信號時當t=T時，當t=2T、3T、4T、5T等特殊點處的y值可以依次求得,結果如圖所示T2T3T4T5T0.632T越大，系統(tǒng)響應平穩(wěn)，系統(tǒng)較穩(wěn)定比較容易控制，但調節(jié)時間較長2）時間常數(shù)（T）R-C電路數(shù)學模型uiiRuo當電容充電結束后，電流等于0，即該電路的放大倍數(shù)等于1但是逐步達到的，它的快慢取決于T=RC的大小，T越大，表明電容的充電時間越長，這就是時間常數(shù)T的物理意義。3）滯后時間滯后時間是描述系統(tǒng)滯后現(xiàn)象的特征參數(shù)，包括純滯后和容量滯后（1）純滯后又稱為傳遞滯后用表示a進料量控制擋板液體溶解液濃度滯后時間（2）容量滯后指系統(tǒng)輸入量變化后，輸出量的變化相當緩慢，在一段時間內幾乎看不到，然后才逐漸顯著地開始變化。用表示。ah1qh2t0t1t2H1QiQ1A1H2Q2A2滯后時間對于下圖系統(tǒng)可以用一個一階慣性環(huán)節(jié)和一個純滯后環(huán)節(jié)近似。其中，tt0u(t)y(t)y0y1u0u1T0T3T1T2τTp一階時滯系統(tǒng)仿真滯后時間0滯后時間0、1、2、3確定被控過程參數(shù)舉例

為測定某物料干燥筒的過程特性，在t0時刻突將蒸汽量從25m3/h增加到28m3/h，物料出口溫度記錄儀得到的階躍響應曲線如圖。確定被控過程參數(shù)（溫度測量儀表的測量范圍0～200℃；流量測量儀表的測量范圍0～40m3/h）。15012026t/min溫度/℃確定有時滯的一階慣性環(huán)節(jié)參數(shù)舉例放大系數(shù)

時間常數(shù)

T=4min滯后時間

min機理建模的物料平衡關系靜態(tài)物料（或能量）平衡關系：單位時間內進入被控過程的物料（或能量）等于單位時間內從被控過程流出的物料（或能量）。動態(tài)物料（或能量）平衡關系：單位時間內進入被控過程的物料（或能量）減去單位時間內從被控過程流出的物料（或能量）等于被控過程內物料（或能量）存儲量的變化率。4