过程控制-第一章89页PPT

过程控制
• 被控对象的特点：
1）其所进行的过程几乎都离不开物质或能量的流 动。调节阀来控制流入量或流出量。
2）大多属于慢过程，被调量变化十分缓慢，时间尺 度往往以若干分钟甚至若干小时计。这是因为，被控 对象往往具有很大的储蓄容积，而流入、流出量的差 额只能是有限值的缘故。例如：一个被调量为温度的 对象，其储蓄容积就是它的热容量。储蓄容积很大就 意味着温度的变化过程不可能很快。
有一单容水槽，不断有水流入槽内，同时也有水不断由槽中流出 水流入量Qi由调节阀开度u加以控制，流出量Qo则由用户根据需 要通过负载阀来改变。 被调量为水位h，它反应水的流入与流出之间的平衡关系。 分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。
❖ 最大动态偏差是指在阶跃响应中，被控参数偏离其最终 稳态值的最大偏差量，表现在过渡过程开始的第一个波峰.
❖ 超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。
❖最大动态偏差是过程控制系统动态准确性的衡量指标。
3.残余偏差（余差）
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❖余差是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值与设定值的差值。
❖它是过程控制系统稳态准确性的衡量指标。
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1．衰减比和衰减率 ❖衰减比等于两个相邻同向波峰值之比。n=y1/y3 ❖衡量振荡过程衰减程度的指标。 ❖衰减率经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数 ❖衡量振荡过程衰减程度的另一种指标。
❖ 过程控制系统的衰减比为4：1到10：1，
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❖ 相当于衰减率=0.75到0.9。
❖ 若衰减率=0.75,大约振荡两个波以后系统进入稳态。 2.最大动态偏差和超调量
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1、 数学模型定义 被控过程的数学模型（动态特性），是指过程在各输入量 （包括控制量与扰动量）作用下，其相应输出量（被控量） 变化函数关系的数学表达式。
2、干扰 内部干扰
外部干扰
3、数学模型分类 非参数模型，例如阶跃响应曲线、脉冲响应曲线和频率特性曲 线，是用曲线表示的；
参数模型，例如微分方程、传递函数、脉冲响应函数、状态方 程和差分方程等，是用数学方程式表示的。
三、建模的基本方法
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机理分析方法建模
白箱模型
也称数学分析法建模和理论建模
根据过程的内部机理（运动规律），运用一些已知的定律、原 理，如：物料平衡方程，能量平衡方程、传热传质原理等，建 立过程的数学模型。
试验建模方法
黑箱模型
建立输入输出模型，根据输入和输出的实测数据进行某种数 学处理后得到的模型。简单、省力；分经典和现代辨识法。
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• 鲁棒（Robust 健壮和强壮的意思） • 鲁棒性就是系统的稳健性或稳定性。它是在异常和
危险情况下系统生存的关键。比如说，计算机软件 在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况 下，能否不死机、不崩溃，就是该软件的鲁棒性。 所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大 小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。
被控过程在输入量作用下，其平衡状态被破坏后，没有人和仪 器干预，依靠自身能力，不能恢复其平衡状态，这种特性称为 无自平衡能力。
过程控制 二、建模的目的和要求
➢ 设计过程控制系统和整定调节器参数 ➢ 指导设计生产工艺设备 ➢ 进行仿真试验研究 ➢ 培训运行操纵人员 ，等等 要求： 准确可靠；但并不意味着愈准确愈好。 鲁棒性 实时性要求。往往需要做很多近似处理，比如线性化、 模型降阶处理等。
2.1 过程控制系统建模的概念、目的过和程方控制法
一、基本概念
• 工艺工程师提出被控对象的控制要求。
• 控制工程师设计合理的控制系统以满足这些要求，考 虑问题的主要依据就是被控对象的动态特性。
• 在过程控制中，被控对象是指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。
4.调节时间ts和振荡频率
❖调节时间ts是从过渡过程开始到结束的时间。 ❖过渡过程的振荡频率是振荡周期的倒数。
❖在同样的振荡频率下，衰减比越大则调节时间越短； 当衰减比相同时，则振荡频率越高，调节时间越短。
❖振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控制系统快速性 的指标。
Biblioteka Baidu ５ 误差积分性能指标
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（１）误差积分 （２）绝对误差积分 （３）平方误差积分
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在过程控制中，流入量和流出量是非常重 要的概念。通过这些概念才能正确理解被控对象 动态特性的实质。注意：与输入、输出量不能混 淆起来。
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• 研究被控对象动态特性还要考虑另一个因素是纯 迟延，即传输迟延。它是信号传输途中的迟延。 例如：温度计的安装应紧靠换热器的出口，如果 安装在离出口较远的管道上，会造成不必要的纯 迟延，对控制系统的工作极为不利。
混合建模方法
灰箱建模
把过程机理和输入输出数据结合建模的方法
2.2 机理分析建模方法
基本步骤：
列写基本方程式并增量化
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单位时间内进入系统的物料量(或能量) － 单位时间内由系统流出的物料量(或能量)
系统内物料(或能量)存储量的变化率
消去中间变量
一、单容对象的传递函数
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微分方程阶次高低是由被控对象中储能部件的多少决定的。 只有一个储能元件的对象称为单容对象。
IE 0 e(t)dt
IAE0 |e(t)|dt ISE e2(t)dt
0
(４)时间与绝对误差乘积积分
ITAE0 t|e(t)|dt
以上各式中，e（t）= y（t）－ y(∞) 。
误差积分指标的缺点：不能都保证控制 系统具有合适的衰减率，而后者是人们首先 关注的。
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第2节 被控对象的动态特性、过程数学模型及其 建立方法
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4、过程通道 被控过程输入量与输出量之间的信号联系称为过程通道 控制作用与被控量之间的信号联系称为控制通道 扰动作用与被控量之间的信号联系称为扰动通道
5、自衡过程与无自衡过程
过程在输入量作用下，其平衡状态被破坏后，无需人和仪器的 干预，依靠过程自身能力，逐渐恢复达到另一新的平衡状态， 这种特性称为自平衡能力；
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第1节 过程控制系统的性能指过标程控制
控制系统运行过程中有两种状态：
稳态 动态
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1 过程控制系统的性能指标过程控制
稳、准、快
❖ 稳定性、准确性和快速性。
❖定值控制系统在于恒定，要求克服干扰，使系统的被控参数 能稳、准、快地保持接近或等于设定值。
❖随动（伺服）控制系统的主要目标是跟踪，即稳、准、快地 跟踪设定值。