1、過程控制系統(tǒng),第一章 緒論 第二章 被控過程的數(shù)學模型 2 3 第三章 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計 第四章 串級控制系統(tǒng) 第五章 前饋及復合控制系統(tǒng) 第六章 時間滯后控制系統(tǒng) 第七章 其它過程控制系統(tǒng) 第八章 過程控制中的計算機應用,1。數(shù)學模型的有關(guān)概念,2-1 概述,數(shù)學模型:指過程在各輸入量的作用下，其相應輸出量變化的函數(shù)關(guān)系數(shù)學表達式。 干擾:內(nèi)干擾-調(diào)節(jié)器的輸出量u(t)； 外干擾-其余非控制的輸入量。 通道:輸入量與輸出量間的信號聯(lián)系。,擾動通道-擾動作用與被控量間的信號聯(lián)系。,2。研究并建立數(shù)學模型的目的,(1)、設(shè)計過程控制系統(tǒng)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。 (2)、指導生產(chǎn)工藝設(shè)備的設(shè)計。 (3

2、)、進行仿真實驗研究。 (4)、培訓運行操作人員。,3。單輸入-單輸出過程的常見模型,(1)、線性時間連續(xù)模型 (2)、線性時間離散模型,4。有/無平衡能力的概念,(參見圖 1 2 ),控制通道-控制作用與被控量間的信號聯(lián)系；,一、自衡過程的數(shù)學模型,自衡的定義：對象受到干擾作用后，平衡狀態(tài)被破壞 ，無須外加任何控制作用，依靠對象本身自動平衡的傾向，逐漸地達到新的平衡狀態(tài)的性質(zhì)，稱為平衡能力。,2-2 機理分析法建模,無平衡特性：平衡狀態(tài)下，一旦受到破壞，無法自行重建平衡 自衡率：表示自衡能力 一般希望 大一些，即在很大干擾下，被控變量變化很少,過程演示,2-1,返回,(一)、單容過程的數(shù)學模

3、型,1、單容過程的定義：只有一個容積，一個容量系數(shù)和一個時間常數(shù),討論：(1)、靜態(tài)時，q1=q2=dh/dt=0 ; (2)、當q1變化時h變化 q2變化。 在工作點，經(jīng)線性化處理，有,其中，R2為閥門2的阻力，稱為液阻或流阻。,2、參量關(guān)系分析,q2,q2,3、建立數(shù)學模型,由式(*)可畫出框圖如圖所示。即 AsR2H(s)+H(s)=R2Q1(s) , 故,式中，TO=AR2=R2C ,C為容量系數(shù)(或容量)。,由式(2-6)和式(2-7)，有,1,(1)、容量C 含義：生產(chǎn)設(shè)備和傳輸管路都具有一定的儲蓄物質(zhì)或能量的能力。被控對象儲存能力的大小，稱為容量或容量系數(shù)，其意義是：引起單位被控

4、量變化時，被控過程儲存量變化量。,4、容量和阻力的概念,返回,1、純滯后的概念 純滯后是普遍存在的，如下頁圖所示。,種類：有電容、熱容、氣容、液容等等。,(2)、阻力 概念：凡是物質(zhì)或能量的轉(zhuǎn)移，都要克服阻力，阻力的大小決定于不同的勢頭和流率。 種類：電阻、熱阻、氣阻、流(液)阻。,2、數(shù)學模型,(二)、具有純滯后單容過程的數(shù)學模型,無純滯后,有純滯后,(三)、多容過程的數(shù)學模型,1、相互無影響自衡雙容過程是工業(yè)生產(chǎn)中常見的，如下兩圖。,（1） 根據(jù)自衡對象特性，可直接寫出水槽特性 1)水槽1：A1 S H1(S)=Qi(S)-Q1(S) H1 (S) 1/R1= Q1(S),2)水槽2： A

5、2 S H2(S)=Q1(S)-Q2(S) H2(S) 1/R2= Q2(S) （2）根據(jù)上述式子可以畫出方框圖,3、求取 H1(S) / Qi(S ， H2(S) / Qi(S）,2、相互影響的雙容過 程,求 H1(S) / Qi(S）,1）列方程式 h1-h2/R1=Q1 A1dh1/dt=Qi-Q1 A2dh2/dt=Q1-Q2 h2/R2=Q2 2)畫方框圖,3）傳函,結(jié)論： 1）同無相互影響的雙容過 程相比H1(S) / Qi(S）為二階環(huán)節(jié) 2） H2(S) / Qi(S）為二階環(huán)節(jié)，但分母多一項a1R2， a1R2 的大小直接反應“影響”程度,2-5,三容過程,2、三容過程的微分

6、方程模型: 如式(2-10),3、三容過程的方框圖,由式(2-10)的拉氏變換，可得圖2-6。,4、三容過程的數(shù)學模型 由圖2-6，應用自控理論即可獲得其模型。,二、無自衡過程的數(shù)學模型,無自衡過程的概念：如下圖。,(一)、單容過程的數(shù)學模型,1、參量關(guān)系分析 在自衡過程下，有,而在無自衡過程(圖2-8)下，因Qo=0，故,2、傳遞函數(shù),結(jié)論：無自衡對象為一積分環(huán)節(jié) Qi=Q0 時，無控制 時 將會溢出或抽干,二容、三容過程形式：如圖2-9、圖2-10所示。,(二)、多容過程的數(shù)學模型,2-10,（4 ）、具有反向響應過程,1、反向響應過程：某些過程其階躍響應初始 情況與最終情況響應相反,2、

7、實際工業(yè)對象,3、傳遞函數(shù),典型假水位現(xiàn)象,但在一般情況下，熱量平衡影響相互很小，鍋爐 汽包水位可視覺為積分環(huán)節(jié),對正常生產(chǎn)影響小。轉(zhuǎn)換成階躍響應的方法如下圖。,一、響應曲線法,問題的提出：大多數(shù)工業(yè)過程的機理模型是很難建立的，只有采用實驗建模。,是一種時域法辨識對象的動態(tài)特性的方法。,(一)、階躍擾動法測定對象的響應曲線,實驗時往往會對正常生產(chǎn)造成影響。,(二)、矩形脈沖法測定對象的響應曲線,2-3 試驗法建模 -過程辨識,2-11,將矩形脈沖看成正負兩個等幅的階躍信號，據(jù)此而得到輸出的階躍響應。即,轉(zhuǎn)換的思路是：,x(t)=x1 (t)+ x2(t) (見圖2-11上) =x1 (t)- x1(t-a) (2-20) 則 y*(t)=y(t)-y(t-a) 或 y(t)= y*(t)y(t-a) (2-21) 用式(2-21)進行轉(zhuǎn)換的過程如圖2-11中部(有自衡過程)和下部(無自衡過程)。,(三)、由階躍響應曲線確定過程的傳遞函數(shù),(1)、放大系數(shù),(2)、時間常數(shù) a、切線法：如右圖。,1、確定一階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù),圖2-14,(2)、圖解法：如下圖2