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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第三章 过程动态特性与建模 第三章 过程动态特性与建模本章的主要内容: 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1 第三章 过程动态特性与建模 过程动态特性与建模 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。2 第三章 过程动态特性与建模 过程动态特性与建模 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。3 第三章 过程动态特性与建模 过程动态特性与建模 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4 第三章 过程动态特性与建模 3.1典型被控过程 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。5 第三章 过程动态特性与建模 3.1典型被控过程本节的主要内容: 3.1.1 纯滞后过程 (补充) 3.1.2 自衡非振荡过程 P20 3.1.3 无自衡的非振荡过程 P21 3.1.4 有自衡的振荡过程 P21 3.1.5 具有反向特性的过程 P21 3.1.6 不稳定过程6 第三章 过程动态特性与建模 3.1.1 纯滞后过程 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)。7 第三章 过程动态特性与建模 3.1.1 纯滞后过程 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。8 第三章 过程动态特性与建模 3.1.1 纯滞后过程 实例:双水槽液位控制系统 示意图:(另画) 水流通过较长的通道才能进入水槽中。 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。9 第三章 过程动态特性与建模 3.1.1 纯滞后过程 双水槽液位控制系统示意图10 第三章 过程动态特性与建模 3.1.1 纯滞后过程 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 。11 第三章 过程动态特性与建模 3.1.1 纯滞后过程 纯滞后环节的传递函数: G(s) ? e ? ? s 相应频率特性: G(j ? ) ? e ? j?? 动静态增益:均为1 相角大小: Ф = -ωτ12 第三章 过程动态特性与建模 3.1.2 自衡非振荡过程 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3.1-113 第三章 过程动态特性与建模 3.1.2 自衡非振荡过程 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。14 第三章 过程动态特性与建模 3.1.2 自衡非振荡过程 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。15 第三章 过程动态特性与建模 3.1.2 自衡非振荡过程 16 第三章 过程动态特性与建模 3.1.2 自衡非振荡过程 传递函数 P20 Ke-?s 一阶惯性加纯滞后 G(p s)? ( ) T s ? 1 3.1-1 Ke -?s ( )? 二阶加纯滞后 G p s (3.1-2) (T1s ? 1)(T 2s ? 1) Ke -? s 多阶加纯滞后 G ( s ) ? (3.1-3) p (Ts ? 1) n17 第三章 过程动态特性与建模 3.1.3 无自衡的非振荡过程 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。18 第三章 过程动态特性与建模 3.1.3 无自衡的非振荡过程19 第三章 过程动态特性与建模 3.1.3 无自衡的非振荡过程 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。20 第三章 过程动态特性与建模 3.1.3 无自衡的非振荡过程 振荡曲线 : P21 图3.1- 4 传递函数:
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