工业过程控制工程课件第三章 过程动态特性与建模

工业过程控制工程课件第三章 过程动态特性与建模

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1、第三章过程动态特性与建模3.1典型被控过程3.2系统被控变量和操纵变量的选择3.3广义对象各环节特性对控制品质的影响3.4过程建模本章的主要内容:1过程动态特性的重要性:P20过程动态特性的重要性是不难理解的,例如,知道有些被控对象很容易控制而有些又很难控制,为什么会有此差别?为什么有些控制过程进行的很快而有些又进行的很慢,这些问题的关键都在于被控对象本身,在于它们的动态特性。过程动态特性与建模2现象:容易控制快被控对象控制过程难以控制慢根源:被控对象的动态特性重要性:全面了解和掌握被控对象动态特性,才能合理设计控制方案,选择合适的自动化仪表,进行控制器参数整定。特别是

2、要设计高质量的,新型复杂的控制方案,更加需要深入研究被控对象的动态特性。过程动态特性与建模3动态特性的描述:P20数学模型:要精确的描述过程的动态行为离不开数学模型。建模的基本方法有机理分析和辨识法。有时还采用两种方法相结合的途径。机理分析法建模的方法辨识法两者相结合过程动态特性与建模4实际生产过程(复杂)纯滞后线性化处理单容组成双容下面分别讨论六种实际生产过程的特性和实例。3.1典型被控过程53.1.1纯滞后过程(补充)3.1.2自衡非振荡过程P203.1.3无自衡的非振荡过程P213.1.4有自衡的振荡过程P213.1.5具有反向特性的过程P213.1.6不稳定过程

3、3.1典型被控过程本节的主要内容:6概念:纯滞后过程:输入变量改变后,输出量并不立即改变,而要经过一段时间才反映出来的过程。纯滞后:输入变量变化后,看不到系统对其响应的这段时间(τ)亦称传输滞后。纯滞后环节在传送输入信号时推迟了τ时间(并不改变信号的大小和方向)。3.1.1纯滞后过程7纯滞后产生的原因:1)由于信号的传输和测量所致(当物质或能量沿着一条特定的路径传输时,就会出现纯滞后)2)对象本身是分布参数过程或高阶过程:响应曲线的起始部分变化很慢纯滞后在工业生产中常常出现,但是很少单独出现。3.1.1纯滞后过程8实例:双水槽液位控制系统示意图:(另画)水流通过较长的通

4、道才能进入水槽中。阀门开度变化引起流量Q1变化时,需经过一段传输时间才能使Q*产生变化,从而使水槽液位H变化。3.1.1纯滞后过程93.1.1纯滞后过程双水槽液位控制系统示意图10由实例双水槽液位控制系统可见:纯滞后环节对信号的相应都是将它推迟一段时间,其大小等于纯滞后时间τ。3.1.1纯滞后过程11纯滞后环节的传递函数:相应频率特性:动静态增益:均为1相角大小:Ф=-ωτ3.1.1纯滞后过程12自衡性(自平衡能力):对象在扰动作用下,平衡状态被破坏后,无需外加任何控制作用,过程能够自发地趋于新的平衡状态的性质,称为自衡性。实例:P20图3.1-13.1.2自衡非振荡过

5、程13实例:P20图3.1-1如图所示液体储罐,系统原来处于平衡状态。在进水量阶跃增加后,进水量超过出水量,过程原来的平衡状态将被打破,液位上升;但随着液位上升,出水阀前的静压增加,出水量也将增加;这样,液位的上升速度将逐步变慢,最终建立新的平衡,液位达到新的稳态值。3.1.2自衡非振荡过程14实例:液位过程原理示意图:P20图3.1-1响应曲线:P20图3.1-2在阶跃作用下,被控变量不振荡,逐步地向新的稳态值靠近。在过程控制中,自衡非振荡过程较多。3.1.2自衡非振荡过程153.1.2自衡非振荡过程16传递函数P20一阶惯性加纯滞后(3.1-1)二阶加纯滞后(3.1

6、-2)多阶加纯滞后(3.1-3)3.1.2自衡非振荡过程17实例:积分液位过程P21图3.1-3图中所示液位过程,流出侧(出水)用泵将液体输出(流出量Q2与液位H无关)。水的静压变化相对于泵的压头可以近似忽略,因此泵转速不变时,出水量恒定。当进水量稍有变化,如果不依靠外加的控制作用,则储罐内的液体或者溢满或者抽干,不能重新达到新的平衡状态。3.1.3无自衡的非振荡过程183.1.3无自衡的非振荡过程19大多数液位对象都无自平衡能力,当流入量与流出量稍有差异时,如果不依靠外加的控制作用,储罐内的液体或者溢满或者被抽干,不能重新达到新的平衡状态,这种特性称为无自衡。概念:对

7、象在扰动作用下,平衡状态被破坏后,需要外加控制作用,才能使过程趋于新的平衡状态的性质,称为无自衡性。3.1.3无自衡的非振荡过程20振荡曲线:P21图3.1-4传递函数:积分加纯滞后(3.1-4)二阶积分加纯滞后(3.1-5)3.1.3无自衡的非振荡过程213.1.3无自衡的非振荡过程22概念:在阶跃作用下,c(t)会上下振荡。大多数是衰减振荡,最后趋于新的稳态值,称为有自衡的振荡过程。振荡曲线:P21图3.1-5传递函数:(3.1-6)(0<ζ<1)实例:秋千(过程控制少见,控制较困难)3.1.4有自衡的振荡过程233.1.4有自衡的振

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