第二章 机理建模ppt课件

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2.1.1 基本概念
(4) 培训运行操作人员 在现代生产过程自动化中，对于一些复杂的生
产操作过程(例如大型电站机组的运行)都应该事先对 操作人员进行实际操作培训。随着计算机仿真技术 的发展，先建立这些复杂生产过程的数学模型(不需 要建小型物理模型)，而后通过仿真使之成为活的模 型，在这样的模型上，教练员可以安全、方便、多 快好省地对运行操作人员进行培训。
单回路控制系统框图
过程通道－被控过程输入量与输出量之间的信号联系 控制通道－控制作用与被控量之间的信号联系 扰动通道－扰动作用与被控量之间的信号联系
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2.1.1 基本概念
5、建模方法
（1）机理分析方法建模（数学分析法建模或理论建模） ➢ 机理建模是根据过程的内部机理(运动规律)，运用一
些已知的定律、原理，如生物学定律、化学动力学原 理、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。 ➢ 机理分析法建模的最大特点是当生产设备还处于设计 阶段就能建立其数学模型。机理分析法建模主要是基 于分析过程的结构及其内部的物理化学过程，因此要 求建模者应有相应学科的知识。
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2.1.1 基本概念
（3）常用的数学模型： 连续：微分方程、传递函数、状态方程 离散：差分方程、离散化传函、离散化状态方程
2. 建模的目的
（1）设计过程控制系统和整定调节器参数 在过程控制系统的分析、设计和整定时，是以被
控过程的数学模型为依据的，它是极其重要的基础资 料。例如前馈控制系统就是根据被控过程的数学模型 进行设计的，所以建立过程的数学模型是实现前馈控 制的前提。
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2.1.1 基本概念
6. 自衡过程与非自衡过程 （1）自衡过程
液位被控过程及其阶跃响应（自衡） 自衡过程－有自平衡能力 （能达到新的平衡）
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2.1.1 基本概念
（2）非自衡过程
液位被控过程及其阶跃响应（非自衡）
非自衡过程－无自平衡能力 （不能达到新的平衡）
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2.1.2 机理分析方法建模
过程数学模型是过程控制系统设计分析和应用 的重要资料。研究过程建模对于实现生产过程自动 化具有十分重要的意义。
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2.1 过程建模
2.1.1 基本概念 1. 概述 （1）被控过程－被控制的生产工艺设备（加热炉、贮罐） （2）数学模型－被控过程在各输入量（控制量、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。 非参数模型：曲线表示的。如阶跃响应曲线等。 参数模型：用数学方程式或函数表示的。
拉氏变换：Q1(s) －Q2(s) ＝ CsH(s) ； [Q1(s) －Q2(s)] / Cs＝H(s) Q2(s)＝ H(s) / R2
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2.1.2 机理分析方法建模
[Q1(s) －Q2(s)] / Cs＝H(s) Q2(s)＝ H(s) / R2
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2.1.2 机理分析方法建模
1. 自衡过程建模
（1）单容过程（一个容器，具有自衡能力的过程）
液位被控过程及其阶跃响应
➢ 流入量为q1 ； ➢ 流出量为q2 ； ➢ 液位h的变化反映了q1与 q2不等而引起水箱中蓄水
或泄水的过程；
➢ q1作为被控过程的输入
量， h认为其输出量； ➢ 被控过程的数学模型就
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2.1.1 基本概念
3. 对数学模型的要求
（1）准确可靠：依据实际，提出适当要求，经济可行。 （2）用于控制的模型：不要求非常准确，模型误差可
视为干扰（闭环情况） （3）突出主要因素，忽略次要因素（复杂－－近似，
线性化）
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2.1.1 基本概念
4. 多输入单输出系统
多个输入量：u(t),f1(t),fn(t) 单个输出量：y(t)
第二章 过程建模和检测控制仪表
本章主要内容 1. 过程机理分析建模 2. 过程试验建模 3. 过程变量检测及变送 4. 成分分析仪表 5. 过程参数采集 6. 过程控制仪表
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第二章 过程建模和检测控制仪表
2.1 过程建模 为了很好的控制一个过程，需要知道当控制量
变化时，被控量如何变化，向哪个方向改变，并最 终改变多少；被控量的变化需要经历多长时间，变 化规律等。这些均依赖于过程的数学模型。因此， 一个过程控制系统的优劣，主要取决于对生产过程 的了解和建立过程的数学模型。
(3) 进行仿真试验研究 在实现生产过程自动化中，往往需要对一些
复杂庞大的设备进行某些试验研究，例如某单元 机组及其控制系统能承受多大的冲击电负荷，当 冲击电负荷过大时会造成什么后果。对于这种破 坏性的试验往往不允许在实际设备上进行，而只 要根据过程的数学模型，通过计算机进行仿真试 验研究，就不需要建立小型的物理模型，从而可 以节省时间和经费。
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2.1.1 基本概念
(2) 指导设计生产工艺设备 通过对生产工艺设备数学模型的分析和仿真，
可以确定有关因素对整个被控过程动态特性的影响 (例如锅炉受热面的布置、管径大小、介质参数的选 择等对整个锅炉出口汽温、汽压等动态特性的影响)， 从而提出对生产设备的结构设计的合理要求和建议。
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2.1.1 基本概念
是h与q1之间的数学表达式。
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2.1.2 机理分析方法建模
根据动态物料平衡关系有：
q1
q2
A
dh dt
dh dh
增量形式为:
q1q2
A dt
源自文库
C dt
A—水箱截面积。
、
、 q 1 q 2 h ：分别为偏离某一平衡状态q10、q20、h0的增量
q2与h成比例关系：
q2
h R2
或
R2
h q2
(R2—阀2的阻力--液阻)
2.1.2 机理分析方法建模
静态物料（或能量）平衡关系 －－单位时间内进入对象 的物料（或能量）＝单位时间内从被控对象流出的物料 (或能量)。 动态物料（或能量）平衡关系 －－单位时间内进入对象 的物料（或能量）的增量－单位时间内从被控对象流出 的物料（或能量），等于被控对象内物质（或能量）存 储量的变化率。
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2.1.1 基本概念
（2）试验法建模 ➢ 试验法一般只用于建立输入输出模型。 ➢ 它是根据工业过程的输入、输出的实测数据进行数学
处理后得到的模型。 ➢ 主要特点：从外部特征上测试和描述它的动态过程，
因此，不需要深入掌握内部机理（黑匣子）。 ➢ 过程处于激励状态－－阶跃响应曲线法；矩形脉冲响
应曲线法。