过程控制系统建模方法与测试概念
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过程控制系统建模 方法和测试概念
过程控制系统建模方法和测试概念
2.1 过程控制系统建模概念 2.2 机理建模方法 2.3 测试建模方法
过程控制系统建模方法和测试概念
2.1 过程控制系统建模概念
2.1.1 建模概念
• 控制系统的设计任务: 依据被控对象的数学模型，按照控制要求来设计控制器。
• 三类主要的信息源： 1、要确定明确的输入量与输出量。 • 通常选一个可控性良好，对输出量影响最大的一个输入信号
过程控制系统建模方法和测试概念
测试建模方法
一、什么情况下使用测试建模法？ 1、对于某些生产过程的机理，还未充分掌握； 2、模型中有些参数难以确定； 3、工业对象通常是由高阶非线性微分方程描述 的复杂对象，对这些方程式较难求解。
作为输入量，其余的输入信号则为干扰量。 2、要有先验知识 • 在建模中，被控对象内部所进行的物理、化学过程符合已经 • 发在现建的模许中多必定须理掌握、4 建原模理对及象模所型要。用到的先验知识。
3、试验数据 • 过程的信息能通过对对过程象控制的系试统建验模方与法测和测量试概而念获得。
❖ 被控对象数学模型的要求:准确可靠。 在线运用的数学模型要求实时性。
•
用机理法建模时，出现模型中某些参数难以确定的
情况或用机理法建wk.baidu.com太烦琐,可以用测试的方法来建模
。
过程控制系统建模方法和测试概念
2、测试法建模 ❖ 根据工业过程的输入和输出的实测数据进行数学处
理后得到的模型。 ❖ 特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全
从外特性上测试和描述它的动态性质，不需要深入 掌握其内部机理。 • 为了获得动态特性，必须使被研究的过程处于被激
e。 0 s
过程控制系统建模方法和测试概念
无自平衡能力的单容对象特性
❖ 用惯性环节描述的单容对象，在被控量受到扰 动后，原来的平衡关系遭到破坏，但随着被调量的 变化不平衡越来越小，被调量能够自动地稳定在新 的平衡点上，这种特性称为自平衡。
❖ 具有自平衡特性的被控对象称为自平衡过程， 这是一种稳定的过程。
过程控制系统建模方法和测试概念
dh
❖ T +dt Δh = KΔμ
❖ 有纯延迟的单容对象的微分方程为
dh
❖T
dt +Δh = KΔu(t -
) 0
❖ (2-17)
过程控制系统建模方法和测试概念
❖ 对应的传递函数为
G(s)=
H (s)
=
U (s)
K e(02s-18) Ts 1
与式（2-7）相比多了延迟因子
❖ 若T1=T2=……=Tn=T
则
K G(s)= (Ts 1) n
❖ 若有纯延迟，则
K
❖
G(s)= (Ts 1) n e 0s
过程控制系统建模方法和测试概念
3.无自平衡能力的双容对象
❖ 无自平衡能力的双容 对象是一个有自平衡 能力的单容对象和一 个无自平衡能力的单 容对象的串联。
过程控制系统建模方法和测试概念
励的状态，施加一个阶跃扰动或脉冲扰动等。
过程控制系统建模方法和测试概念
❖ 测试法建模又可分为经典辨识法和现代 辨识法两大类。
❖ 经典辨识法只需对少量的测试数据进行 简单的数学处理；现代辨识法可以消除 测试数据中的偶然性误差即噪声的影响， 需要处理大量的测试数据。
过程控制系统建模方法和测试概念
机理建模方法
过程控制系统建模方法和测试概念
❖ 有一些被控对象，当 被调量的平衡关系破 坏后，被调量而以固 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。 这种现象不具有自平 衡特性，称为无自平 衡过程。这种过程是 临界稳定的，它需要 很长时间，被调量才 会有很大的变化。
过程控制系统建模方法和测试概念
❖ 建立数学模型时常用的近似处理：线性化、分布参 数系统和模型降阶处理等。
过程控制系统建模方法和测试概念
2.1.2 过程控制系统建模的两个基本方法
1、机理法建模 ❖ 根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有
关的平衡方程，物质平衡方程；能量平衡方程；动量平 衡方程以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基 本规律的运动方程，物性参数方程和某些设备的特性方 程等，从中获得所需的数学模型。
❖ 对于无自平衡能力的 单容对象其动态方程 为
A
dh dt=Δ
Q=i
K u u
A-液槽截面积。
过程控制系统建模方法和测试概念
多容对象的动态特性
1、具有自平衡能力的双容对象
❖ 其传递函数为
❖ G(s) =
H U
2 (s) (s)
=
K T1T2s2 (T1T2)s1
过程控制系统建模方法和测试概念
❖ 若双容对象调节阀1开度变化所引起的流入量 还存在纯延迟，则其传递函数可推导为
Q1Q0 C2d dht2
过程控制系统建模方法和测试概念
❖ 可得对应的传递函数为
Q 0(s)
1
Q i(s) R 1 C 1 R 2 C 2 s2 (R 1 C 1 R 2 C 2 R 2 C 1 )s 1
• 若以Δh2为被控参数，则
H 2 (s )
R 2
Q i(s ) R 1 C 1 R 2 C 2 s2 (R 1 C 1 R 2 C 2 R 2 C 1 )s 1
例1、单容水槽对象的建模（图2.2） （课后请同学们自己分析后面两个例题！） 结论：单容被控对象动态特性都是一阶惯性环节。
过程控制系统建模方法和测试概念
具有纯延迟的单容对象特性
• 1、什么是纯延迟？ • 2、纯延迟现象产生的原因：是由于扰动发生的地
点与测定被控参数位置有一定距离。
• 有一储水槽调节阀1距水槽有 一段较长的距离。调节阀1开 度变化所引起的流入量变化 ΔQi，需要经过一段传输时间 T0，才能对水槽液位产生影 响， T0 是纯延迟时间。
其对应的传递函数为
G(s)=
1 1 Ts 1 Ta s
• 有纯延迟的情况则
e1
Ts 1
0T1sa s
G(s)=
过程控制系统建模方法和测试概念
❖ 无自平衡能力双容对象的阶跃响应曲线
过程控制系统建模方法和测试概念
4、相互作用的双容对象
h1 h2 R1
Q1
Qi Q1C1d dht1
Q2
h2 R2
❖ G(s)=
H 2(s) = U (s)
T1T2s2
K e
(T1 T2)s1
0s
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2、具有自平衡能力的多容对象
❖ 有n个相互独立的多容对象的时间常数为T1、 T2….Tn,总放大系数为K，则传递函数为
K G(s)= (T1s1)T (2s1) (Tns1)
过程控制系统建模方法和测试概念
过程控制系统建模方法和测试概念
2.1 过程控制系统建模概念 2.2 机理建模方法 2.3 测试建模方法
过程控制系统建模方法和测试概念
2.1 过程控制系统建模概念
2.1.1 建模概念
• 控制系统的设计任务: 依据被控对象的数学模型，按照控制要求来设计控制器。
• 三类主要的信息源： 1、要确定明确的输入量与输出量。 • 通常选一个可控性良好，对输出量影响最大的一个输入信号
过程控制系统建模方法和测试概念
测试建模方法
一、什么情况下使用测试建模法？ 1、对于某些生产过程的机理，还未充分掌握； 2、模型中有些参数难以确定； 3、工业对象通常是由高阶非线性微分方程描述 的复杂对象，对这些方程式较难求解。
作为输入量，其余的输入信号则为干扰量。 2、要有先验知识 • 在建模中，被控对象内部所进行的物理、化学过程符合已经 • 发在现建的模许中多必定须理掌握、4 建原模理对及象模所型要。用到的先验知识。
3、试验数据 • 过程的信息能通过对对过程象控制的系试统建验模方与法测和测量试概而念获得。
❖ 被控对象数学模型的要求:准确可靠。 在线运用的数学模型要求实时性。
•
用机理法建模时，出现模型中某些参数难以确定的
情况或用机理法建wk.baidu.com太烦琐,可以用测试的方法来建模
。
过程控制系统建模方法和测试概念
2、测试法建模 ❖ 根据工业过程的输入和输出的实测数据进行数学处
理后得到的模型。 ❖ 特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全
从外特性上测试和描述它的动态性质，不需要深入 掌握其内部机理。 • 为了获得动态特性，必须使被研究的过程处于被激
e。 0 s
过程控制系统建模方法和测试概念
无自平衡能力的单容对象特性
❖ 用惯性环节描述的单容对象，在被控量受到扰 动后，原来的平衡关系遭到破坏，但随着被调量的 变化不平衡越来越小，被调量能够自动地稳定在新 的平衡点上，这种特性称为自平衡。
❖ 具有自平衡特性的被控对象称为自平衡过程， 这是一种稳定的过程。
过程控制系统建模方法和测试概念
dh
❖ T +dt Δh = KΔμ
❖ 有纯延迟的单容对象的微分方程为
dh
❖T
dt +Δh = KΔu(t -
) 0
❖ (2-17)
过程控制系统建模方法和测试概念
❖ 对应的传递函数为
G(s)=
H (s)
=
U (s)
K e(02s-18) Ts 1
与式（2-7）相比多了延迟因子
❖ 若T1=T2=……=Tn=T
则
K G(s)= (Ts 1) n
❖ 若有纯延迟，则
K
❖
G(s)= (Ts 1) n e 0s
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3.无自平衡能力的双容对象
❖ 无自平衡能力的双容 对象是一个有自平衡 能力的单容对象和一 个无自平衡能力的单 容对象的串联。
过程控制系统建模方法和测试概念
励的状态，施加一个阶跃扰动或脉冲扰动等。
过程控制系统建模方法和测试概念
❖ 测试法建模又可分为经典辨识法和现代 辨识法两大类。
❖ 经典辨识法只需对少量的测试数据进行 简单的数学处理；现代辨识法可以消除 测试数据中的偶然性误差即噪声的影响， 需要处理大量的测试数据。
过程控制系统建模方法和测试概念
机理建模方法
过程控制系统建模方法和测试概念
❖ 有一些被控对象，当 被调量的平衡关系破 坏后，被调量而以固 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。 这种现象不具有自平 衡特性，称为无自平 衡过程。这种过程是 临界稳定的，它需要 很长时间，被调量才 会有很大的变化。
过程控制系统建模方法和测试概念
❖ 建立数学模型时常用的近似处理：线性化、分布参 数系统和模型降阶处理等。
过程控制系统建模方法和测试概念
2.1.2 过程控制系统建模的两个基本方法
1、机理法建模 ❖ 根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有
关的平衡方程，物质平衡方程；能量平衡方程；动量平 衡方程以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基 本规律的运动方程，物性参数方程和某些设备的特性方 程等，从中获得所需的数学模型。
❖ 对于无自平衡能力的 单容对象其动态方程 为
A
dh dt=Δ
Q=i
K u u
A-液槽截面积。
过程控制系统建模方法和测试概念
多容对象的动态特性
1、具有自平衡能力的双容对象
❖ 其传递函数为
❖ G(s) =
H U
2 (s) (s)
=
K T1T2s2 (T1T2)s1
过程控制系统建模方法和测试概念
❖ 若双容对象调节阀1开度变化所引起的流入量 还存在纯延迟，则其传递函数可推导为
Q1Q0 C2d dht2
过程控制系统建模方法和测试概念
❖ 可得对应的传递函数为
Q 0(s)
1
Q i(s) R 1 C 1 R 2 C 2 s2 (R 1 C 1 R 2 C 2 R 2 C 1 )s 1
• 若以Δh2为被控参数，则
H 2 (s )
R 2
Q i(s ) R 1 C 1 R 2 C 2 s2 (R 1 C 1 R 2 C 2 R 2 C 1 )s 1
例1、单容水槽对象的建模（图2.2） （课后请同学们自己分析后面两个例题！） 结论：单容被控对象动态特性都是一阶惯性环节。
过程控制系统建模方法和测试概念
具有纯延迟的单容对象特性
• 1、什么是纯延迟？ • 2、纯延迟现象产生的原因：是由于扰动发生的地
点与测定被控参数位置有一定距离。
• 有一储水槽调节阀1距水槽有 一段较长的距离。调节阀1开 度变化所引起的流入量变化 ΔQi，需要经过一段传输时间 T0，才能对水槽液位产生影 响， T0 是纯延迟时间。
其对应的传递函数为
G(s)=
1 1 Ts 1 Ta s
• 有纯延迟的情况则
e1
Ts 1
0T1sa s
G(s)=
过程控制系统建模方法和测试概念
❖ 无自平衡能力双容对象的阶跃响应曲线
过程控制系统建模方法和测试概念
4、相互作用的双容对象
h1 h2 R1
Q1
Qi Q1C1d dht1
Q2
h2 R2
❖ G(s)=
H 2(s) = U (s)
T1T2s2
K e
(T1 T2)s1
0s
过程控制系统建模方法和测试概念
2、具有自平衡能力的多容对象
❖ 有n个相互独立的多容对象的时间常数为T1、 T2….Tn,总放大系数为K，则传递函数为
K G(s)= (T1s1)T (2s1) (Tns1)
过程控制系统建模方法和测试概念