3-过程动态特性分析.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,过程动态特性建模与分析,（,Process Characteristics,）,戴连奎,浙江大学智能系统与决策研究所,200,4/02/15,上一讲内容回顾,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,复习题,对于如图所示的压力控制系统，假设贮罐温度不变，主要干扰为,P,1,、,P,2,。试指出该系统中的被控变量、操纵变量、扰动变量与被控对象，并画出该系统的方块图。,本讲基本要求,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；,掌握调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则；,掌握“广义对象”概念及其动态特性的典型测试方法。,单回路控制系统组成,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。,对象机理建模举例,#1,（,p,.28,）,物料平衡方程,：,流体运动方程,：,讨论问题,：,（,1,）线性化的意义？如何线性化？（,2,）如何用,Matlab,或,SimuLink,表示该过程？（参见,SimulationProcessModel LevelProcess01.mdl,）,对象机理建模举例,#2,物料平衡方程,：,流体运动方程,：,仿真参见,ProcessModel LevelProcess02.mdl,问题,：状态方程？线性化？,机理建模举例,#3,：,非自衡过程,物料平衡方程：,气动调节阀的结构,u,(,t,)：,控制器输出,(420,mA,或 010,mA DC)；,p,c,：,调节阀气动控制信号；,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。,阀门的,“,气开,”,与,“,气关,”,1.气开阀与气关阀,*气开阀：,p,c,f,(“,有气则开”),*气关阀：,p,c,f,(“,有气则关”),无气源(,p,c,=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。,调节阀的结构特性,调节阀结构特性,：阀芯与阀座间的节流面积和阀门开度之间的函数关系。,f,为相对节流面积；,l,为相对开度：,线性阀,（线1）：,等百分比阀或称对数阀,（线2）：,调节阀的工作流量特性分析,阀阻比,S,100,：,调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比，即,调节阀工作流量特性（续）,线性阀的特性变异,对数阀的特性变异,调节阀流量特性总结,线性阀：,在理想情况下，调节阀的放大增益,K,v,与阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当开度到达50 70%时，流量已接近其全开时的数值，即,K,v,随着开度的增大而显著下降。,对数阀：,在理想情况下，调节阀的放大增益,K,v,随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的减少，,K,v,渐近于常数。,调节阀流量特性的选择原则,选择原则：,仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于 0.60,以上（即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。,热平衡方程：,K,p,：,控制通道增益,“,广义对象”的概念,“广义对象”的特点,特点：（1）使控制系统的设计与分析简化；,（2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于,测试其动态特性；,（3）只关心某些特定的输入输出变量。,“广义对象”动态特性的阶跃响应测试法*,典型自衡工业对象,的阶跃响应,对象的近似模型：,对应参数见左图，而增益为：,y,min,y,max,为CV的测量范围；,u,min,u,max,为MV的变化范围，对于阀位开度通常用0100%表示。,“广义对象”动态特性的矩形脉冲响应测试法,SISO,对象模型构造与动态响应仿真参见,ProcessModelOpenLoopResp.mdl,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,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。,结 论,介绍了简单被控过程的机理建模方法与线性化问题；,讨论了调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则；,讲述了“广义对象”的概念及其动态特性的典型测试方法；,列举了工业过程的典型动态特性类型与通道模型。,习题,1.p.37,习题,3-4,2.p.38,习题,3-8,（若可能，请用,Matlab,作图）,3.p.58,习题,4-9,