《过程动态特性》PPT课件

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1、第二章过程动态特性§2.1典型化工过程的动态特性过程特性定义：指被控过程输入量发生变化时，过程输出量的变化规律。被控过程常见种类：换热器、锅炉、精馏塔、化学反应器、贮液槽罐、加热炉等被控变量（输出量）扰动变量（输入量）操纵变量（输入量）通道被控过程的输入量与输出量之间的信号联系控制通道-----操纵变量至被控变量的信号联系扰动通道-----扰动变量至被控变量的信号联系过程特性的类型1.自衡的非振荡过程2.无自衡的非振荡过程3.有自衡的振荡过程4.具有反向特性的过程多数工业过程的特性可分为下列四种类型

2、：（过程特性通常在阶跃信号的作用下的表现）1.自衡的非振荡过程在阶跃信号的作用下，被控变量C(t)不经振荡，逐渐向新的稳态值C(∞)靠拢。过程特性的类型C(t)tC(∞)自衡的非振荡过程过程特性的类型如图所示的通过阀门阻力排液的液位系统例如hQ1Q2tthQ1液位系统液位变化曲线过程特性的类型2.无自衡的非振荡过程在阶跃信号的作用下，被控变量C(t)会一直上升或下降，直到极限值。C(t)t无自衡的非振荡过程放热化学反应过程的温度过程特性的类型3.有自衡的振荡过程在阶跃信号的作用下，被控变量C(t)会

3、上下振荡，且振荡的幅值逐渐减小，最终能趋近新的稳态值。有自衡的振荡过程的响应曲线如图所示。在控制过程中，这类过程不多见，它们的控制也比第一类过程困难一些。C(t)t有自衡的振荡过程过程特性的类型4.具有反向特性的过程在阶跃信号的作用下，被控变量C(t)先升后降或先降后升，即阶跃响应在初始情况与最终情况方向相反。C(t)t具有反向特性的过程§2.2过程数学模型的建立（机理建模）所谓研究对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系——数学建模。对象的数学模型：对象特性的数学描述；对象

4、的数学模型可以分为静态数学模型和动态数学模型。静态数学模型描述的是对象在稳定时（静态）的输入与输出关系；动态数学模型描述的是在输入量改变以后输出量跟随变化的规律；过程的输入是控制作用u（t）或扰动作用f（t）输出是被控变量ｙ（t）．过程数学模型是研究系统行为的基础。建模目的9（1）控制系统的方案设计（2）控制系统的调试和控制器参数的确定（3）制定工业过程操作优化方案（4）新型控制方案及控制算法的确定（5）计算机仿真与过程培训系统（6）设计工业过程的故障检测与诊断系统§2.2过程数学模型的建立（机理建

5、模）用数学方程式来表示，如微分方程（差分方程）、传递函数、状态空间表达式等。本节所涉及的模型均为用微分方程描述的线性定常动态模型。过程数学模型的建立（机理建模）数学模型类型非参数模型用曲性或数据表格来表示，如阶跃响应曲线、脉冲响应曲线和频率特性曲线特点：形象、清晰，易看出定性特性，但缺乏数学方程的解析性质，一般由试验直接获取。参数模型对于线性的集中参数对象通常可用常系数线性微分方程式来描述，如果以x（t）表示输入量，y（t）表示输出量，则对象特性可用下列微分方程式来描述在允许的范围内，多数化工对象动

6、态特性可以忽略输入量的导数项可表示为§2.2过程数学模型的建立过程数学模型的建立建立数学模型的基本方法机理分析法通过对过程内部运动机理的分析，根据其物理或化学变化规律，在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后得到过程特性方程，其表现形式往往是微分方程或代数方程。如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程。这种方法完全依赖于足够的先验知识，所得到的模型称为机理模型。由过程的输入输出数据确定模型的结构和参数。这种方法不需要过程的先验知识，把过程看作一个黑箱。但该方法必须在已经

7、建立了过程后才能进行，而且得到的结果无法类推至设备尺寸和型号不同的情况。实验测试法机理建模对于某些对象，人们还难以写出它们的数学表达式，或者表达式中的某些系数还难以确定时，不能适用。具有非常明确的物理意义，所得的模型具有很大的适应性，便于对模型参数进行调整。概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。优点缺点过程数学模型的建立机理分析法：机理分析法是通过对过程内部机理的分析，推导出描述过程输入输出变量之间关系的数学模型。针对不同的物理过程，可采用不同的定理定律。如电路采用欧姆定律和可希霍夫定律；机械

8、运动采用牛顿定律；流体运动采用质量守恒和能量守恒定律；传热过程采用能量转化和能量守恒定律等。微分方程建立的步骤归纳如下：⑴根据实际工作情况和生产过程要求，以及建模的对象和模型使用的目的进行合理的假设，确定过程的输入变量和输出变量。⑵依据过程的内在机理，利用适当的定理定律，建立原始方程式。⑶确定原始方程式中的中间变量，列写中间变量与其他因素之间的关系。⑷消除中间变量，即得到输入、输出变量的微分方程。⑸若微分方程是非线性的，需要进行线性化处理。⑹标准化。即将与输入有关的各