过程控制工程过程动态特性分析

KC
;
G
P
(S
)
KP TPS 1
;
G
f
(S
)
K Tf S
f
1
对于定值控制系统：R(S)=0 , E(S) Y (S)
Y(S)
G f (S)
.F (S)
(TPS 1).K f
.F (S)
1 GC (S)GP (S)
(TPS 1)(Tf S 1) KC .KP (Tf S 1)
根据终值定理，在单位阶跃干扰输入下： F(S) 1
H1 k2
H2
机理建模举例：非自衡过程
Qi A
Q(t)
Qo
Qi
t 0
h(t)
Q0
物料平衡方程： t
A
dh dt
Qi
Q0
纯滞后过程
纯滞后过程：某些过程在输出变量改变后，输出变量并不立即改变，而 要经过一段时间才反应出来的过程。
纯滞后时间：在输入变量变化后，看不到系统对其相应的这段时间τ。
阀门
uτ y
典型自衡工业对象 的阶跃响应
u(t)
u1
u0
0
y(t)
y1
p y0
τT
T0
T1 T2
T3
对象的近似模型：
y(s) K e s u(s) Ts 1
对应参数见左图，而增益为：
t
K y1 y0
u1 u0
ymax ymin umax umin
[ymin, ymax]为CV的测量范围； [umin, umax]为MV的变化范围，对于 t 阀位开度通常用0~100%表示。
流体运动方程： Qo k H
Qo
A dH dt
Qi
k
H
对象机理建模举例
Qi
H1
Q1
A1
H2 A2
物料平衡方程：
A1
dH1 dt
Qi
Q1,
A2
dH 2 dt
Q1 Q2
流体运动方程：
Q1 k1 H1 , Q2 k2 H 2
Q2
A1
dH1 dt
Qi
k1
H1 ,
A2
dH 2 dt
k1
过程动态特性建模与分析
基本要求
了解典型工业过程的动态特性类型； 掌握简单被控过程的机理建模方法； 掌握“广义对象”概念及其动态特性的典型
测试方法。 了解对象特性对系统的影响 了解调节阀对系统性能的影响 了解测量变送环节对系统的影响
单回路控制系统组成
设定值 ysp
+
_
偏差 e
控制器 Gc (s)
对象特性参数的确定
假设温度测量变 送器的量程为200 ~ 400℃。
Kp
355 320 400 200
60 50 100 0
1.75
Tp T 2 T1 9
T1T0 6
“广义对象”的概念
ysp(t) +_
扰动 D(t)
干扰通道 GD (s)
控制器 u(t) GC (s)
执行器 q(t) GV (s)
测试建模
原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激 励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对 这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。 特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。
对象机理建模举例
Qi
H A
物料平衡方程：
A dH dt
Qi Qo
工业过程控制对象的特点
除液位对象外的大多数被控对象本身是 稳定自衡对象；
对象动态特性存在不同程度的纯迟延； 对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流
量对象外的被调量的变化相对缓慢； 被控对象往往具有非线性、不确定性与
时变等特性。
对象特性对控制质量的影响
一、对象静态特性分析（续）
设：G
C
(S
)
Kp不能太大，超过一定界线造成灵敏度过高， 会破坏系统稳定性。
二、对象动态特性分析
⒈ 干扰通道Tf 、 f 对控制质量的影响。
① Tf 对控制质量的影响 Tf ↑→滤波能力↑→干扰对被控变量的影响
↓→超调量 ↓→控制质量 ↑ 。
② f 对控制质量的影响
G
' f
(S)
Gf
(S ).e
f
S
即干扰作用迟了一段时间 f ，从理论上
控制变量 u
扰动 D
执行器 Gv (s)
操纵变量 q
被控对象
干扰通道 GD (s)
+ 控制通道 +
Gp (s)
被控变量 y
测量值 ym
测量变送 Gm (s)
被控对象动态建模方法
机理建模
原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，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， 由此获得被控对象的动态数学模型。 特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。
Kf 1 KcKp
1 e
1 2
Kf↑→A↑↑ →动态控制质量↓
一、对象静态特性分析（续）
2. Kp对控制质量的影响
根据系统过渡过程余差、最大偏差这两个质量
指标表达式可见：系统静态控制质量或动态控
制质量都希望Kp 大些。
Kp ↑→控制作用灵敏，抑制干扰能力强。
Kp在前项通道与 Kc相串，调整Kc，在一定范 围 合内 。可补偿Kp ，达到控制过程Kp Kc的最佳配
S
定值控制系统的余差为：
e()
lim
e(t) t
lim
s.e ( s s0
)
Kf 1 KcKp
一、对象静态特性分析（续）
结论：系统余差与对象的静态特性有关；
1. Kf对控制质量的影响 Kf 对系统静态或动态控制质量都有害：
对于静态质量： Kf↓→e(∞)↓→质量↑ 对于动态质量：其最大偏差A等于
控制通道 GP (s)
+ +
y(t)
广义对象
测量变送 Gm (s)
ym (t)
“广义对象” 的特点
扰动 D
ysp(t)
偏差 e 控制器
u(t)
义对象
干扰通道 GD 1 (s)
+ 控制通道 +
GP 1 (s)
ym (t)
特点：（1）使控制系统的设计与分析简化； （2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性； （3）只关心某些特定的输入输出变量。
无振荡自衡过程模型
GP
(s)
K Ts 1
e
s
GP
(s)
(T1s
K 1)(T2 s
1)
e
s
GP (s)
K (Ts 1)n
e
s
无振荡非自衡过程模型
GP
(s)
K Ts
e
s
GP (s)
K s(Ts 1)
e s
具有反向特性的非自衡过程模型
GP (s)
K (T0s 1) s(T1s 1)
e
s
“广义对象”动态特性的 阶跃响应测试法*
＝ l v
输出u
y 重量 调节器 设定r
传递函数为G(S)=e-
频率特性为G(j)=e-j
静态增益和动态增益均为1。
由它产生的相角，大小为Φ=-ωτ 。
过程控制广义对象动态特性分类
自衡过程 (1) 无振荡的自衡过程 (2) 有振荡的自衡过程
非自衡过程 (1) 无振荡的非自衡过程 (2) 有振荡的非自衡过程 (3) 具有反向特性的非自衡过程