1、過程動態特性建模與分析于玲浙江大學2015/03/09系課程的參考資料方式：87952458郵箱： lyu課程nnnnnn 助教：nn 郵箱：11432023說明成績 50%+期末50%?；驹瓌t：成績包括以下部分：n 課堂提問、課堂發言與課堂測試， 15%n 小組研討成績， 10%以小組為，某些問題提出方案，由教師隨機選擇某組員進行講解；其他同學參與討論，并評分。作業，15%n 作業和n 大作業，10%概要n 過程特性分類n 簡單被控過程的機理建模方法n 調節閥的選擇原則n 廣義對象的概念n 測試法建模一般的反饋系統被控過程DVsyspu(t)y(t)MV執行機構器+_ym(t)傳感變送器通

2、道干擾通道+被控過程動態特性的重要性n 不同的被控過程具有不同的特性n 很難改變被控過程，很容易改變器工程師能做的就是調整適合被控過程器使其nn 對于某一被控過程，最適合其特性的控制器是最好的器。被控過程DVsyspu(t)y(t)MV執行機構器+_ym(t)傳感變送器通道干擾通道+被控過程舉例#1蒸汽RVu(t)yTT 22RF , Ti換熱器工藝介質T凝液自衡過程/穩定對象被控過程舉例#2u(t)y(t)LT 41hQo非自衡過程Qi被控過程舉例#3y(t)= K × f (u(t) ×h + h(t)Qo0LT 41hu(t)Qo該被控過程是否穩定， 為什么 ?Qi被

3、控過程舉例#4純滯后過程被控對象動態建模方法機理建模原理：根據過程的工藝機理，寫出各種有關的平衡方程，n如物料平衡、能量平衡等，以及反映流體、傳熱、傳質等基本規律的運動方程，由此獲得被控對象的動態數學 模型。特點：概念明確、適用范圍寬，要求對該過程機理明確。測試建模原理：對過程的輸入（包括n變量與擾動變量）施加一定形式的激勵信號，如階躍、脈沖信號等，同時相關的輸入輸出數據，再對這些數據進行處理，由此獲得對象的動態模型。特點：無需深入了解過程機理，但適用范圍小，模型準確性有限。建模舉例 #1n 物料平衡方程：A dH=odtn 出口流量與液位的關系：Qo = kH問題討論：如何采用SimuLin

4、k建立被控過程模型并設置初始運行狀態?的A dH = Q - kH dti建模舉例 #1A dH = Q - kH dti建模舉例 #1A dH=n 物料平衡方程：odtQo = kn 流體運動方程：H0 =Dh=0,DQo = Qo - Qo0o0 ,iAh = DQ - DQ dtio建模舉例 #1QiH QoA+ dQok(h - h ) = Q+= kh » QDhQ線性化：h=h0oo00o0dh2h0A dDh = DQ -Dh = DQ - DhkH (s)RiiRAs +1dtR2hQ (i0Ah = DQ - DQ dtioQo = kH一階過程的描述一階過程通常的

5、描述：nQiH QoA時間常數TH (s)RQi (+1過程增益KG(s) =K Ts +1 無振蕩的自衡過程 K = DOutput(cent)DInput(cent)(cent )= Ofinal - Oinitial(cent )I final - IinitialK反映了輸出變化的幅度H (s) =RQAs +1一階過程的H (s) =RRAs +1Q時間常數T反映了輸出變化的快慢一階過程的（續）建模舉例 #2n 物料平衡方程：QidHA1dtdtn 流體運動方程：Q1Q1 = k1= k2H1 ,QoH2A1A2H1H2QoA dH1 = Q - kH ,1dti11A dH2 =

6、kH - kH2dt1122建模舉例 #2n 物料平衡方程：QidHA1dtdtn 流體運動方程：Q1Q1 = k1= k2H1 ,QoH2A1A2H1H2QoH1 (s) =R1,Qi (s)A1R1s +1H2 (s) =1×R2Qi (s)A1R1s +1A2 R2 s +1過程QiQoA2 無振蕩的自衡過程H1H2Q1A1串統一階對象的串統課堂練習2一階和滯后過程t = 2,T = 2課堂練習3t = 2t = 2T = 2T = 2t = 1t = 1T = 2T = 2,t = 2課堂練習3結果工業過程對象的特點n 除液位對象外的大多數被控對象本身是穩定自衡對象；n 對象

7、動態特性不同程度的純遲延；n 對象的階躍響應通常為單調曲線，除流量對象外的被調量的變化相對緩慢；n 被控對象往往具有非線性、不確定性與時變等特性。換熱器溫度系統蒸汽過程描述與信號流程圖 ?Tu(t)spTC 22RVTmTT 22RF , Ti換熱器工藝介質T凝液溫度系統的信號流程圖RF (t), Ti (t)TspT(t) T/hrTm溫度變換器熱電偶mAmVTT 22換熱器 氣動閥RV (t)電氣轉換器p(t)MPa器TC 22u(t)mA氣動調節閥的結構pcqplfu(t)c管路系統執行機構執行機u(t)：器輸出構( 420 mA 或 010 mA DC)；pc ：調節閥氣動信號（ 20

8、100kPa ）；閥體l：閥桿相對位置； f ：相對流通面積；q ：受調節閥影響的管路相對流量。.閥體電氣轉換器閥門的“氣開”與“氣關”1. 氣開閥與氣關閥* 氣開閥： pc f (“有氣則開”)* 氣關閥： pc f (“有氣則關”)無氣源( pc = 0 )時，氣開閥，氣關閥全開。2. 氣開/氣關的選擇原則安全性* 若無氣源時，希望閥，則應選擇氣開閥，如加熱爐瓦斯氣調節閥；若無氣源時，希望閥全開，則應選擇氣 關閥，如加熱爐進風蝶閥。調節閥的氣開氣關選擇TspTmTCTC出料T進料u出料冷卻劑Rf進料調節閥的理想流量特性100調節閥理想流量特性：通過閥的流量和閥門開80度之間的函數關系。60

9、440f 為相對流量；l 為相對20開度：n 線性閥（1）：3.3020406080100l ×100n 等百分比閥或稱對數閥（2）：f ×100df = Kf dlfdf = K dlff = j(l)312調節閥工作流量特性DpSDpDpep0Q總壓降閥阻比 S100：調節閥全開時的兩端壓降之比，即Dp1001S=Dpe100Dp+ Dp1+100eDp100DpSDpDpe調節閥工作流量特性（續）線性閥的特性變異對數閥的特性變異S100= 1S100= 10.801001000.750.5080800.5060600.200.20404020203.33.302040

10、6080100020406080100l ×100l ×100= DmaxKvDl / Lq ×100q ×100調節閥流量特性總結n 線性閥：在理想情況下，調節閥的放大增益Kv與閥門開度無關；而隨著管路系統閥阻比的減少，當開度到達50 70%時，流量已接近其全開時的數值，即Kv隨著開度的增大而顯著下降。n 對數閥：在理想情況下，調節閥的放大增益Kv隨著閥門開度的增大而增加；而隨著管路系統閥阻比的減少， Kv 漸近于常數。調節閥流量特性的選擇n 選擇原則：僅當對象特性近似線性而且閥阻比大于0. 60 以上，選擇線性閥，如液位統；其他情況大都應選擇對數閥。

11、系“廣義對象”的概念廣義對象擾動D(t)ysp(t)u(t)q(t)ym (t)測量變送執行器Gm (s)GV (s)+_y(t)特點：（1）使系統的設計與分析簡化；（2） 廣義對象的輸入輸出通常可測量，以便于測試其動態特性；（3） 只關心某些特定的輸入輸出變量。GP (s)器GC (s)干擾通道GD (s)+通道+廣義對象的描述廣義對象擾動 Dysp(t)ym (t)u(t)偏差 e+_可用一階加純滯后模型來描述廣義對象：K e-t sG=ppT s +1p通道GP 1 (s)器GC (s)干擾通道GD 1 (s)+過程增益的計算( y final - yinit )(u final - u

12、init )Kp = (20 - 25)T/hr(12 -10)mA= -2.5 T/hrmAK e-t sG=ppT s +1p過程增益計算舉例 #165K = DOutput60DInputInletTemp.55- OO=finalinitialspeepest slope- I50Ifinalinitial45= (45 - 30) CentOutletTemp.40(60 - 50) Cent35Cent outlet temp.= 1.5Cent inlet temp.30250510152025Time, min3035404550Temperature過程增益計算舉例 #2In

13、let Flow45K = DOutput40DInput35- O30Ofinalinitial=25- I05101520253035404550IfinalinitialLiquid Level10(9 - 5) meter=8(40 - 30) T / hr6meter= 0.44T / hr051015202530Time, min35404550meterT/hr過程增益計算舉例 #3Valve Position70K = DOutput60DInput50= Ofinal - Oinitial40- II3005101520253035404550finalinitialLiqu

14、id Level= (4 - 9) meter10(60 - 40) %86meter= -0.254%051015202530Time, min35404550meter%過程增益備注n 過程增益描述了穩態條件下，過程輸出對輸入變量變化的靈敏度。n 被控過程增益包括三部分：符號、數值與。n 過程增益只涉及兩個穩態，因此說過程增益反映了被控過程的靜態或穩態特性。有時，也稱“靜態/穩態增益”。過程的時間常數n 基本定義對過程而言，過程一階時間常數定義為過程輸出開始變化至達到全部變化的63.2%所需的時間.K e-t sG=ppT s +1p過程的時間滯后n 基本定義過程純滯后時間定義為過程輸入施

15、加激勵至過程輸出開始變化所需的時間.K e-t sG=ppT s +1p關于過程特性參數 K, T,n 這三個參數的取值描述了一個實際被控過程的基本特性，其中 K 反映靜態特性，而T、 反映了過程的動態特性。n 由于絕大多數工業過程為非線性對象，即使對于同一被控過程，上述參數也將隨工況的變化而變化。n 對象兩時間參數的比值（/ T）直接關系到控制系統的可控性。/ T越大，難度越大。被控對象動態建模方法n 機理建模原理：根據過程的工藝機理，寫出各種有關的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流體、傳熱、傳質等基本規律的運動方程，由此獲得被控對象的動態數學模型。特點：概念明確、適用范圍寬，要求

16、對該過程機理明確。n 測試建模原理：對過程的輸入（包括變量與擾動變量）施加一定形式的激勵信號，如階躍、脈沖信號等，同時相關的輸入輸出數據，再對這些數據進行處理，由此獲得對象的動態模型。特點：無需深入了解過程機理，但適用范圍小，模型準確性有限。對象特性的階躍響應測試法n 借助于階躍響應試驗，獲取過程輸入輸出動態響應數據。(1) 將器改為“手動”操作模式；(2) 以階躍方式，改變器輸出；(3)器輸出與變送器輸出響應數據。n 基于過程測試數據，估計廣義對象的特性參數階躍響應測試法1n 對象的近似模型：u(t)u1u0對應參數見左圖，而增益為：t0y(t)y1py0TtT0T1T2T3K = ( y1 - y0 ) (u1 - u0 )y(s) =Ke-t su(s)Ts +1階躍響應測試法2t = t0.632 -T0 -TPTP = 1.5´(t0.632 - t0.283 )廣義對象矩形脈沖響應測試法u(t) = u1(t) + u2(t)y(t) = y1(t) + y2(t)y2(t)