被控过程的数学模型.ppt

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1、被控过程的数学模型目录2.1过程模型概述2.2机理法建模2.3测试法建模2.4利用MATLAB建立过程模型本章小结11过程模型概述1.1被控过程的动态特性在过程控制中，被控过程（简称过程）乃是工业生产过程中的各种装置和设备，例如换热器、工业窑炉、蒸汽锅炉、精馏塔、反应器等等。被控变量通常是温度、压力、液位、成分、转速等。被控对象内部所进行的物理、化学过程可以是各式各样的，但是从控制的观点看，它们在本质上有许多相似之处。在生产过程中，控制作用能否有效地克服扰动对被控变量的影响，关键在于选择一个可控性良好的操作变量，这就要对被控对象的动态特性进行研究。因此，研究被

2、控对象动态特性的目的是据以配置合适的控制系统，以满足生产过程的要求。21．被控过程的分析工业生产过程的数学模型有静态和动态之分。静态数学模型是过程输出变量和输入变量之间不随时间变化时的数学关系。动态数学模型是过程输出变量和输入变量之间随时间变化时动态关系的数学描述。过程控制中通常采用动态数学模型，也称为动态特性。32．被控过程的特点从以上的分析中可以看到，过程控制涉及的被控对象大多具有下述特点。1）对象的动态特性是单调不振荡的对象的阶跃响应通常是单调曲线，被控变量的变化比较缓慢(与机械系统、电系统相比)。工业对象的幅频特性和相频特性，随着频率的增高都向下倾斜。

3、2）大多被控对象属于慢过程由于大多被控对象具有很大的储蓄容积，或者由多个容积组成，所以对象的时间常数比较大，变化过程较慢。43）对象动态特性的迟延性迟延的主要来源是多个容积的存在，容积的数目可能有几个直至几十个。分布参数系统具有无穷多个微分容积。容积愈大或数目愈多，容积迟延时间愈长。有些被控对象还具有传输迟延。由于迟延的存在，调节阀动作的效果往往需要经过一段迟延时间后才会在被控变量上表现出来。54）被控对象的自平衡与非自平衡特性有些被控对象，当受到扰动作用致使原来的物料平衡关系遭到破坏后，无须外加任何控制作用，依靠对象本身，自动随着被控变量的变化，其不平衡量回

4、愈来愈小，最后能够自动地稳定在新的平衡点上。这种特性称为自平衡，具有这种特性的被控过程称为自平衡过程，例如图2-1中的单容水槽,其阶跃响应如图2-2所示。6也有一些被控对象，例如图2-3中的单容积分水槽，当进水调节阀开度改变致使物质或能量平衡关系破坏后，不平衡量不因被控变量的变化而改变，因而被控变量将以固定的速度一直变化下去而不会自动地在新的水平上恢复平衡。这种对象不具有自平衡特性，具有这种特性的被控过程称为非自平衡过程，其阶跃响应如图2-4所示74）被控对象往往具有非线性特性严格来说，几乎所有被控对象的动态特性都呈现非线性特性，只是程度上不同而已。如许多被控

5、对象的增益就不是常数。除存在于对象内部的连续非线性特性外，在控制系统中还存有另一类非线性，如调节阀、继电器等元件的饱和、死区和滞环等典型的非线性特性。虽然这类非线性通常并不是被控对象本身所固有的，但考虑到在过程控制系统工程中，往往把被控对象、测量变送装置和调节阀三部分串联在一起统称为广义被控对象，因而它包含了这部分非线性特性。81.2数学模型的表达形式与要求研究被控过程的特性，就是要建立描述被控过程特性的数学模型。从最广泛的意义上说，数学模型乃是事物行为规律的数学描述。根据所描述的是事物在稳态下的行为规律还是在动态下的，数学模型有静态模型和动态模型之分。这里只

6、限于讨论工业过程的数学模型特别是它们的动态模型。工业过程动态数学模型的表达方式很多，其复杂程度可以相差悬殊，对它们的要求也是各式各样的，这主要取决于建立数学模型的目的何在，以及它们将以何种方式加以利用。91．建立数学模型的目的在过程控制中，建立被控对象数学模型的目的主要有以下几种：(l)设计过程控制系统和整定控制器的参数(2)控制器参数的整定和系统的调试(3)利用数学模型进行仿真研究(4)进行工业过程优化另外，设计工业过程的故障检测与诊断系统、制订大型设备启动和停车的操作方案和设计工业过程运行人员培训系统，等等都也需要被控过程的数学模型。102．被控对象数学模

7、型的利用方式被控对象数学模型的利用有离线的和在线的两种方式。过去被控对象数学模型只是在进行控制系统的设计研究时或在控制系统的调试整定阶段中发挥作用，这种利用方式是离线的。近十多年来，由于计算机的发展和普及，相继推出一类新型计算机控制系统，其特点是它要求把被控对象的数学模型作为一个组成部分砌入控制系统中，如预测控制系统。这种利用方式是在线的，它要求数学模型具有实时性。113．对被控对象数学模型的要求工业过程数学模型的要求因其用途不同而不同，总的来说是既简单又准确可靠，但这并不意味着愈准确愈好，应根据实际应用情况提出适当的要求。超过实际需要的准确性要求必然造成不必

8、要的浪费。在线运用的数学模型还有一个实