01 过程动态特性分析

X2(s)
X3(s)
[X1(s)][X2(s)]=X3(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。
过程动态特性建模与分析
于玲 浙江大学控制系
2008/02/25
概要
控制系统的组成 单回路控制系统的描述 简单被控过程的机理建模方法 调节阀的选择原则 广义对象的概念及其动态测试
控制系统的基本组成
期望值
末端 执行器
输入
控制器
过程
传感器 输出
液位控制反馈控制
Qi
h
LC
hsp
Qo
液位控制系统的方块图
阀门的“气开”与“气关”
1. 气开阀与气关阀
* 气开阀： pc↑→ f↑ (“有气则开”) * 气关阀： pc↑→ f↓ (“有气则关”) 无气源( pc = 0 )时，气开阀全关，气关阀全开。
2. 气开阀与气关阀的选择原则
* 若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热 炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气 关阀，如加热炉进风蝶阀。
一般的单回路控制系统
设定值 ysp
+
_
偏差 e
控制器 Gc (s)
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 Biblioteka s)被控变量：温度(T)、压力(P)、流量(F)、液位或料位 (L)、成分与物性等六大参数。
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。
机理建模的步骤
根据建模的对象和模型使用的目的进行 合理的假设 ；
根据过程的内在机理建立数学方程； 进行自由度分析，保证模型有解； 简化模型。
对象机理建模举例#1（p. 28）
Qi
H A
0 Qi0 Qo0 ,
dH 物料平衡方程： A dt Qi Qo
Qo 流体运动方程： Qo k H
h h h0 , Qi Qi Qi0 , Qo Qo Qo0
A
d h dt
Qi
Qo
对象机理建模举例#1(续)
Qi
d h
A dt
Qi Qo
H
Qo
Qo k H
A
线性化：
Qo k
h
Qo0
dQo dh
hh0
h h0
Qo0
2
k h0
h
d h
k
h
A dt
Qi 2
h0 h Qi R
H (s) R Qi (s) RAs 1
一阶过程的描述
一阶过程通常的描述方式为： G(s) K Ts 1
掌握子系统的封装技术；
气动调节阀的结构
....... .......
pc
u(t) 电气 pc 执行 l
转换器
机构
f 阀体
管路 系统
q
执
行
机 u(t)：控制器输出
构
( 4~20 mA 或 0~10 mA DC)；
pc ：调节阀气动控制信号；
阀 体
l：阀杆相对位置； f ：相对流通面积；
q ：受调节阀影响的管路相对流量。
方块图的注意事项
正确的画法
X(s)
G(s)
Y(s)
Y(s)=G(s)X(s)
X1(s)
X2(s)
X3(s) X1(s)=X2(s)=X3(s)
X1(s)
X2(s)
X3(s)
X1(s)+X2(s)=X3(s)
不正确的画法
X2(s)
X1(s)
G(s)
Y(s)
X1(s)
G(s)
Y1(s)
Y2(s)
X1(s)
Qi h
问题：指出每一条连接线
所对应的变量信号的物理
LC
hsp
意义与单位，以及每一个 方块所表示的意义？
设定值 hsp
偏差 e(t)
+_
液位 控制器
Qo
扰动
Qi(t)
控制信号
操纵变量
u(t)
出水
Qo(t)
控制阀
液体贮罐
干扰 通道
+ 控制 + 通道
被控变量 h(t)
测量值 hm(t)
液位传感 测量变送器
Qi
过程增益K
H A
H (s) R
Qo
Qi (s) RAs 1
时间常数T
#1举例的simulink仿真
H (s) R Qi (s) RAs 1
无振荡的自衡过程
K Output(cent) Input (cent )
Ofinal Oinitial cent I I final initial cent
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。
SimuLink的使用介绍
熟悉与掌握系统所提供的SimuLink常用 模块，如输入信号、输出显示、传递函 数模块、常用数学函数等；
掌握SimuLink运行数据与Matlab数据平 台的联结，以及Matlab常用的作图方法；
H1(s) R1 ,
Qi (s) A1R1s 1
Qo
A2
H2 (s) 1 R2
Qi (s) A1R1s 1 A2R2s 1
H1 H2
#2举例的simulink仿真
Qi
Q1 A1
Qo A2
无振荡的自衡过程
高阶过程
Ti (t) T1(t)
T2(t) T4(t)
T5(t)
T5(t)
T2(t)
T1(t)
Ti(t)
65 60 55 50
O(s)
I (s)
K
n i1
(Ti
s
1)
45
0
10
20
30
40
50
65
60
55 50 45
O(s) K e s
0 65
10
20
30
40
50 I (s) Ts 1
60
55
50
45
0
10
20
30
40
50
65
O(s)
K
e s
60 55
I (s) (T1s 1)(T2s 1)
K反映了输出变化的幅度
#1举例的simulink仿真（续）
H (s) R Qi (s) RAs 1
时间常数T反映了 输出变化的快慢
工程中常见的一阶对象
对象机理建模举例#2
H1 H2
Qi
物料平衡方程：
A1
dH1 dt
Qi
Q1,
A2
dH 2 dt
Q1
Qo
Q1 A1
流体运动方程： Q1 k1 H1 , Qo k2 H2
50
45
0
10
20
30
40
50
Time, min
工程上常见的二阶过程
机理建模举例#3
Qi
A
Qo
物料平衡方程：
dh A dt Qi Q0
H (s) Qi (s) Qo (s) As As
无振荡的非自衡过程
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