過程動態特性建模與分析

（ProcessCharacteristics）

單回路控制系統組成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，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流體流動、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（包括控制變量與擾動變量）施加一定形式的激勵信號，如階躍、脈沖信號等，同時記錄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。對象機理建模舉例#1（p.28）

物料平衡方程：

流體運動方程：討論問題：（1）線性化的意義？如何線性化？（2）如何用Matlab

或SimuLink

表示該過程？（參見Simulation\ProcessModel\LevelProcess01.mdl）對象機理建模舉例#2

物料平衡方程：

流體運動方程：仿真參見\ProcessModel\LevelProcess02.mdl問題：狀態方程？線性化？機理建模舉例#3：非自衡過程物料平衡方程：氣動調節閥的結構u(t)：控制器輸出(4~20mA

或0~10mADC)；pc：調節閥氣動控制信號；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，氣開閥全關，氣關閥全開。2.氣開閥與氣關閥的選擇原則*若無氣源時，希望閥全關，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。調節閥的結構特性調節閥結構特性：閥芯與閥座間的節流面積和閥門開度之間的函數關系。f為相對節流面積；l為相對開度：

線性閥（線1）：等百分比閥或稱對數閥（線2）：調節閥的工作流量特性分析閥阻比S100：調節閥全開時的兩端壓降與系統總壓降之比，即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調節閥流量特性總結

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。

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原則選擇原則：僅當對象特性近似線性而且閥阻比大于0.60

以上（即調節閥兩端的壓差基本不變），才選擇線性閥，如液位控制系統；其他情況大都應選擇對數閥。熱平衡方程：Kp：控制通道增益“廣義對象”的概念“廣義對象”的特點特點：（1）使控制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。“廣義對象”動態特性的

階躍響應測試法*典型自衡工業對象的階躍響應對象的近似模型：對應參數見左圖，而增益為：[ymin,ymax]為CV的測量范圍；[umin,umax]為MV的變化范圍，對于閥位開度通常用0~100%表示。“廣義對象”動態特性的

矩形脈沖響應測試法SISO對象模型構造與動態響應仿真參見\ProcessModel\OpenLoopResp.mdl過程控制廣義對象動態特性分類自衡過程（Self-RegulatingProcesses）

(1)無振蕩的自衡過程

(2)有振蕩的自衡過程非自衡過程（Non-Self-RegulatingProcesses）

(1)無振蕩的非自衡過程

(2)有振蕩的非自衡過程

(3)具有反向特性的非自衡過程無振蕩自衡過程模型無振蕩非自衡過程模型具有反向特性的非自衡過程模型工業過程控制對象的特點除液位對象外的大多數被控對象本身是穩定自衡對象；對象動態特性存在不同程度的純遲延；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；被控對象往往具有非線性、不確定性與時變等特