第二-过程建模.pptx

第一节 基本概念一、对象输入输出描述调节器调节阀测量变送 y(t)y(t)x(t)x(t)e(t)e(t)u(t)u(t)q(t)q(t)z(t)z(t)+-二、静态特性与动态特性1、静态特性描述对象输出量与对象输入量之间的关系，用放出系数K表示。OxyOxyK2、动态特性 描述对象在输入信号作用下，输出量随时间变化的特性。时间常数用T表示，T表征对象物理量变化的速率。Oty三、物料平衡与能量平衡 在静态情况下，单位时间流出过程的 物料（能量）等于流入过程的 物料（能量）在动态情况下，单位时间流入过程的 物料（能量）与流出过程的 物料（能量）之差等于过程物料（能量）儲存量的变化率。四、自衡对象与无自衡对象四、自衡对象与无自衡对象自衡对象：在扰动作用下，过程平衡状态被破坏后，不需人工或仪表干预，自身能建立新的平衡状态。无自衡对象：在扰动作用下，过程平衡状态被破坏后，自身不能建立新的平衡状态。五、建模途径1 机理建模2 实验建模3 其它方法六、建模目的1控制系统设计与参数整定；2 控制系统仿真研究。第二节 单容对象的数学模型单容对象：单个储存容器一，自衡单容对象1.无滞后单容对象例1 设液位对象如 所示。图中：Q1：液体流入量，对象的输入量Q2：液体流出量h：液位，对象的输出量R1，R2为液阻A：液箱底面积,容量系数R R1 1R R2 2A Ah hQ Q1 1Q Q2 2数学模型:取增量：消取中间变量得微分方程：或其中：为时间常数，为放大系数。R R1 1R R2 2A Ah hQ Q1 1Q Q2 2用传递函数表示：设H(S)=Lh,Q1(S)=LQ1L:拉氏变换。则传递函数为增量方程组亦可表示为含S变量的方程组：其对应的方框图如下图所示，据此亦可求出传递函数。阶跃响应为：1/AS1/AS1/R1/R2 2例2 设温度对象如图所示，图中：为容器内水温，确定为输出量（被控量）；：电炉供热量，定为输入量；：炉外空气温度；：加热器散热量；设G：加热器内水的总重量；：传热系数；：水的比热；A：加热器的表面积。根据能量平衡关系有：为热容 ；令 为热阻其增量方程组为：令 ，消去中间变量得微分方程：传递函数为：式中 阶跃响应如 所示小结：1)定关系（应用物料或能量平衡原理）；2)取增量（线性化）；3)去中间（中间变量），得方程（输入输出关系）；4)算比值（拉氏变换），得传函（传递函数）。2.纯滞后单容对象 例3 设液位纯滞后单容对象如图所示。图中L为阀门至管道出口的长度，v为液体流速，阀门出口流量为 ，管道出口流量为 ，其余说明同无纯滞后对象。R R1 1R R2 2A Ah hQ Q2 2建立数学模型：称 为纯滞后时间。微分方程：即传递函数：其中：对象的阶跃响应曲线如图所示。二.无自衡单容对象1.无自衡单容对象（无滞后）例4 无自衡单容对象（无滞后）如图所示，其特点是在流出液体由定量泵抽出。建立方程：即传递函数为：R R1 1A Ah hQ Q1 1Q Q2 2 为积分时间常数。无自衡单容对象的阶跃响应如图所示，无平衡状态。R R1 1A Ah hQ Q1 1Q Q2 22.純滞后无自衡单容对象純滞后无自衡单容对象例例5 純滞后无自衡单容对象純滞后无自衡单容对象如图所示，同理可得对象如图所示，同理可得对象数学模型：数学模型：及 純滞后无自衡单容对象的純滞后无自衡单容对象的阶跃响应如图所示，純滞后阶跃响应如图所示，純滞后时间为时间为 ，无平衡状态，无平衡状态。R R1 1A Ah hQ Q1 1Q Q2 2第三节 多容对象的数学模型多容对象：2个以上单容装置构成。一.自衡对象1.无滞后自衡无滞后自衡多容多容对象对象例例6 设双容液位对象如设双容液位对象如图所示。建立对象图所示。建立对象Q1为为输入量输入量h2为输出量的为输出量的数学模型。数学模型。Q3R3R1R2Q1Q2写出增量方程组：消去中间变量得微分方程：式中传递函数为：传递函数也可由方程组对应的方框图来求出。方程组对应的方框图为：令输入量作阶跃变化，输出变量的响应如图所示。令输入量作阶跃变化，输出变量的响应如图所示。说明：1)与单容对象比较，双容对象响应曲线呈S形状；2)在响应曲线拐点D处作切线分别交时间轴于A，水平线于B，其在时间上的投影为C，则 为容量滞后时间 为时间常数容量滞后时间是由对象的多容特性决定的，这样，对象特性亦可用 ，来描述。多容对象不同阶数n的响应曲线如图所示。可见n越大，容量滞后时间也越大。n阶多容对象阶多容对象的传递函数：如果 ，则称为n阶等容过程阶等容过程，其传递函数为：2.当过程具有純滞后时，其传递函数为：或二二.无自衡多容对象无自衡多容对象设无自衡多容液位对象如图所示。R1R2Q1Q2其中传递函数为：其中传递函数为：式中：为第一个容器的时间常数 为积分时间常数无自衡多容对象純滞后无自衡多容对象第四节 实验建模一.响应曲线的测定二.切线法三.计算法四.半对数作图法一一.响应曲线的测定响应曲线的测定响应曲线测试流程图：u(t)：过程输入信号：过程输入信号 y(t)：过程输出信号：过程输出信号1.阶跃响应曲线的测定阶跃响应曲线的测定 阶跃响应曲线完全描述了被控过程的特性，据此可求出被控过程的数学模型。注意事项：1)被控过程在平稳状态被控过程在平稳状态下，下，u(t)作阶跃输入。作阶跃输入。2)合理选择阶跃输入量合理选择阶跃输入量的幅值，一般为正常值的的幅值，一般为正常值的515%。过程检测记录仪检测记录仪 3)阶跃信号作正，反方向变化，测定响应曲线，以检阶跃信号作正，反方向变化，测定响应曲线，以检查过程线性特性。查过程线性特性。4)重复测试几次，详细记录响应曲线重复测试几次，详细记录响应曲线。缺点：有些过程不容许阶跃干扰。2.矩形脉冲响应曲线的测定矩形脉冲响应曲线的测定 1)测定矩形脉冲响应曲线；测定矩形脉冲响应曲线；2)将矩形脉冲响应曲线合将矩形脉冲响应曲线合成阶跃响应曲线。成阶跃响应曲线。设 为矩形脉冲输入 设 为矩形脉冲响应 为阶跃响应 为阶跃输入 为 时刻的阶跃输入曲线合成的数学描述：令 ，则：在输出坐标图上描出多个点，将这些点光滑连接，在输出坐标图上描出多个点，将这些点光滑连接，得阶跃响应曲线。得阶跃响应曲线。二二.切线法切线法下面分类求模型参数：1.一阶自衡模型一阶自衡模型根据 所示曲线：1)过原点作切线与过原点作切线与 相交于相交于B点，由点，由B点作时间的垂线点作时间的垂线交于交于C点；点；2)3)传递函数为传递函数为2.一阶純滞后自衡模型一阶純滞后自衡模型由由 可得：可得：传递函数为：传递函数为：3.一阶无自衡模型一阶无自衡模型由 可得：当 时其传递函数为：其传递函数为：4.一阶純滞后无自衡模型一阶純滞后无自衡模型由由 可得：可得：其传递函数为：5.二阶自衡模型二阶自衡模型 由由 可得：可得：其传递函数为：其传递函数为：6.二阶无自衡模型二阶无自衡模型由由 可得可得：其传递函数为：其传递函数为：三、计算法三、计算法1.计算计算 、对于 其时间响应为其时间响应为 ，则相对函数为即即其响应曲线如图所示，标明纵坐标，找出对应的标明纵坐标，找出对应的 、。选取 ，且 有：两边取对数得：可有：即可求得 ，为计算方便,在图中取特殊点，得两组等式：如果上述两数值很接近，则可取平均值来 近似：如果上述两组数值很接近，则可取平均值来近似：如果上述两数值相差很远，则不能用这种方法，应选用二阶滞后特性来近似。2.计算计算 、传递函数为传递函数为：阶跃响应曲线如图所示。阶跃响应曲线如图所示。取取则则 、由下式求得：由下式求得：说明：说明：1）当）当 时，为一阶模型，时，为一阶模型，2）当）当 时，时，3）当）当 时，用高阶模型近似。时，用高阶模型近似。4）四四.半对数坐标作图法半对数坐标作图法1.一阶自衡对象一阶自衡对象设一阶自衡对象为：设一阶自衡对象为：在阶跃在阶跃 作用下作用下以上式左边为纵坐标，为横以上式左边为纵坐标，为横坐标作图得半对数坐标图。坐标作图得半对数坐标图。由半对数坐标图得：2.二阶自衡对象二阶自衡对象其阶跃响应为：设 ，当t较大时，可以忽略。用一阶模型来近似当 t较小时，不能忽略。步骤：步骤：1）在半对数坐标图上画出）在半对数坐标图上画出 曲线曲线1；2）取曲线）取曲线1的渐近线得直线的渐近线得直线2(或按一阶方法求直线或按一阶方法求直线2)；3）同一时刻直线）同一时刻直线2的真值减去曲线的真值减去曲线1的真值得直线的真值得直线3；4）参数计算）参数计算真值12345678910lg00.301 0.477 0.602 0.699 0.788 0.845 0.903 0.9541ln00.693 1.099 1.386 1.609 1.792 1.946 2.079 2.197 2.303习题习题P47：4，54.什么是过程的自平衡能力和无自平衡能力？什么是单容过程和多容过程？5.Fig.2-37液位过程的输入量 为Q1流出量为Q2，Q3，液位 为被控参数，C为容量系数，并设R1、R2、R3为线性液阻。要求：1）列写过程的微分方程组；2）画出过程的方框图；3）求过程的传递函数R1R2ChQ1Q2