过程动态特性建模与分析.ppt

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2,过程动态特性建模与分析,上一讲内容回顾,过程控制工程的研究对象与任务,控制系统的设计目的,单回路控制系统的组成、方块图描述法及方块图中线与方框图的物理意义,过程控制中的常用术语（中英文）,控制系统的主要分类与设计过程,本章概要,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,广义对象的概念及其动态测试,本章基本要求,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。,控制系统的基本组成,过程,末端,执行器,传感器,控制器,输入,输出,期望值,液位控制反馈控制,液位控制系统的方框图,问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？,一般的单回路控制系统,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。,方块图的注意事项,正确的画法,不正确的画法,课堂练习,问题：画出热交换器温度控制系统的方块图。,2.1 建模目的和方法,建立被控对象数学模型的目的,进行工业过程优化操作,控制系统方案的设计和仿真研究,控制系统的调试和控制器参数整定,作为模型预测控制等先进控制方法的数学模型,工业过程的故障检测与诊断,设备启动与停车的操作方案,操作人员的培训系统,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。,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。,2.2,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,.20,）,物料平衡方程,：,流体运动方程,：,对象机理建模举例,#1(,续,),线性化：,一阶过程的描述,一阶过程通常的描述方式为：,过程增益,K,时间常数,T,#1,举例的,simulink,仿真,K,反映了输出变化的幅度,无振荡的自衡过程,#1,举例的,simulink,仿真（续）,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,物料平衡方程,：,流体运动方程,：,#2,举例的,simulink,仿真,无振荡的自衡过程,无振荡的自衡过程,高阶过程,工程上常见的二阶过程,机理建模举例,#3,物料平衡方程：,无振荡的非自衡过程,无振荡的非自衡过程,过程控制广义对象动态特性分类,自衡过程（,Self-Regulating Processes,）,(1),无振荡的自衡过程,(2),有振荡的自衡过程,非自衡过程（,Non-Self-Regulating Processes,）,(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,无振荡自衡过程模型,无振荡非自衡过程模型,具有反向特性的非自衡过程模型,小结,被控对象动态建模方法,机理建模的步骤,过程控制广义对象动态特性分类,2.3,阶跃响应建模,阶跃响应的获取,(P30),阶跃响应测试法注意事项,合理选择阶跃响扰动信号的幅度，,5%15%,为宜,初始稳定，避免偶然干扰,不同设定值与正反向的多次测试,数据处理，剔除明显不合理的部分,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。,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；,掌握子系统的封装技术；,广义对象的描述,可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象：,过程增益的计算,29,习题2-5,数据处理，剔除明显不合理的部分,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；,可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象：,初始稳定，避免偶然干扰,设备启动与停车的操作方案,42,习题3-3.,非自衡过程（Non-Self-Regulating Processes）,(3)具有反向特性的非自衡过程,过程的时间常数,过程的时间滞后,阶跃响应测试法,1,对象的近似模型：,对应参数见左图，而增益为：,阶跃响应测试法,2,广义对象矩形脉冲响应测试法,结 论,介绍了简单被控过程的机理建模方法与线性化问题；,讲述了“广义对象”的概念及其动态特性的典型测试方法。,(2)有振荡的非自衡过程,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。,数据处理，剔除明显不合理的部分,28,习题2-1,#2举例的simulink仿真,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；,工业过程控制对象的特点,(1)无振荡的非自衡过程,被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。,#1举例的simulink仿真,42,习题3-1,除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象；,#1举例的simulink仿真,控制系统的主要分类与设计过程,过程控制广义对象动态特性分类,习题,P.28,习题,2-1,P.29,习题,2-5,p.42,习题,3-1,p.42,习题,3-3.,（若可能，请用,Matlab,作图）,仿真练习,阅读,matlab,帮助中,Simulink,部分有关“,Creating Masked Subsystems,”的内容，并按照其中的说明构造自己专用的传递函数模块，该模块具有初始的输入和输出，并包含纯滞后环节。,对自己的传递函数模块进行阶跃响应测试，并用,plot,命令画出阶跃输入和响应输出曲线（标明曲线的横、纵坐标，名称）。并对曲线的线形、颜色、粗细、座标等进行修改。,