1、2020/8/22,課件,1,過程動態(tài)特性建模與分析（Process Characteristics）,戴連奎 浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與決策研究所,2020/8/22,課件,2,上一講內(nèi)容回顧,控制系統(tǒng)的設(shè)計目的 單回路控制系統(tǒng)的組成、方塊圖描述法及方塊圖中線與方框圖的物理意義 過程控制中的常用術(shù)語（中英文） 控制系統(tǒng)的主要分類與設(shè)計過程,2020/8/22,課件,3,復(fù)習(xí)題,對于如圖所示的壓力控制系統(tǒng)，假設(shè)貯罐溫度不變，主要干擾為P1、P2。試指出該系統(tǒng)中的被控變量、操縱變量、擾動變量與被控對象，并畫出該系統(tǒng)的方塊圖。,2020/8/22,課件,4,本講基本要求,了解典型工業(yè)過程的動態(tài)特性類型；

2、掌握簡單被控過程的機理建模方法； 掌握調(diào)節(jié)閥“氣開、氣關(guān)”形式與流量特性的選擇原則； 掌握“廣義對象”概念及其動態(tài)特性的典型測試方法。,2020/8/22,課件,5,單回路控制系統(tǒng)組成,2020/8/22,課件,6,被控對象動態(tài)建模方法,機理建模 原理：根據(jù)過程的工藝機理，寫出各種有關(guān)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(zhì)等基本規(guī)律的運動方程，由此獲得被控對象的動態(tài)數(shù)學(xué)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(guān)的輸入輸出數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)進行

3、處理，由此獲得對象的動態(tài)模型。 特點：無需深入了解過程機理，但適用范圍小，模型準(zhǔn)確性有限。,2020/8/22,課件,7,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SimulationProcessModel LevelProcess01.mdl）,2020/8/22,課件,8,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(tài)方程？線性化？,2020/8/22,課件,9,

4、機理建模舉例#3：非自衡過程,物料平衡方程：,2020/8/22,課件,10,氣動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu),u(t)：控制器輸出 ( 420 mA 或 010 mA DC)； pc ：調(diào)節(jié)閥氣動控制信號； l：閥桿相對位置； f ：相對流通面積； q ：受調(diào)節(jié)閥影響的管路相對流量。,2020/8/22,課件,11,閥門的“氣開”與“氣關(guān)”,1. 氣開閥與氣關(guān)閥 * 氣開閥： pc f (“有氣則開”) * 氣關(guān)閥： pc f (“有氣則關(guān)”) 無氣源( pc = 0 )時，氣開閥全關(guān)，氣關(guān)閥全開。,2. 氣開閥與氣關(guān)閥的選擇原則 * 若無氣源時，希望閥全關(guān)，則應(yīng)選擇氣開閥，如加熱爐瓦斯氣調(diào)節(jié)閥；若無氣源時

5、，希望閥全開，則應(yīng)選擇氣關(guān)閥，如加熱爐進風(fēng)蝶閥。,2020/8/22,課件,12,調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性,調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)特性：閥芯與閥座間的節(jié)流面積和閥門開度之間的函數(shù)關(guān)系。,f 為相對節(jié)流面積；l 為相對開度：,線性閥（線1）：,等百分比閥或稱對數(shù)閥（線2）：,2020/8/22,課件,13,調(diào)節(jié)閥的工作流量特性分析,閥阻比 S100：調(diào)節(jié)閥全開時的兩端壓降與系統(tǒng)總壓降之比，即,2020/8/22,課件,14,調(diào)節(jié)閥工作流量特性（續(xù)）,線性閥的特性變異,對數(shù)閥的特性變異,2020/8/22,課件,15,調(diào)節(jié)閥流量特性總結(jié),線性閥：在理想情況下，調(diào)節(jié)閥的放大增益Kv與閥門開度無關(guān)；而隨著管路系統(tǒng)閥阻比的

6、減少，當(dāng)開度到達50 70%時，流量已接近其全開時的數(shù)值，即Kv隨著開度的增大而顯著下降。 對數(shù)閥：在理想情況下，調(diào)節(jié)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(tǒng)閥阻比的減少， Kv 漸近于常數(shù)。,2020/8/22,課件,16,調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇原則,選擇原則：僅當(dāng)對象特性近似線性而且閥阻比大于 0. 60 以上（即調(diào)節(jié)閥兩端的壓差基本不變），才選擇線性閥，如液位控制系統(tǒng)；其他情況大都應(yīng)選擇對數(shù)閥。,熱平衡方程：,Kp：控制通道增益,2020/8/22,課件,17,“廣義對象”的概念,2020/8/22,課件,18,“廣義對象” 的特點,特點：（1）使控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析簡化；

7、 （2）廣義對象的輸入輸出通?？蓽y量，以便于 測試其動態(tài)特性； （3）只關(guān)心某些特定的輸入輸出變量。,2020/8/22,課件,19,“廣義對象”動態(tài)特性的階躍響應(yīng)測試法*,典型自衡工業(yè)對象 的階躍響應(yīng),對象的近似模型：,對應(yīng)參數(shù)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0100%表示。,2020/8/22,課件,20,“廣義對象” 動態(tài)特性的矩形脈沖響應(yīng)測試法,SISO 對象模型構(gòu)造與動態(tài)響應(yīng)仿真參見 ProcessModelOpenLoopResp.mdl,2020/8/22,課件,21,過程控制廣義對象動態(tài)特性分類

8、,自衡過程（Self-Regulating Processes） (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-Regulating Processes） (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,2020/8/22,課件,22,無振蕩自衡過程模型,2020/8/22,課件,23,無振蕩非自衡過程模型,2020/8/22,課件,24,具有反向特性的非自衡過程模型,2020/8/22,課件,25,工業(yè)過程控制對象的特點,除液位對象外的大多數(shù)被控對象本身是穩(wěn)定自衡對象； 對象動態(tài)特性存在不同程度的純遲延； 對象的階躍響應(yīng)通常為單調(diào)曲線，除流量對象外的被調(diào)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性。,2020/8/22,課件,26,結(jié) 論,介紹了簡單被控過程的機理建模方法與線性化問題； 討論了調(diào)節(jié)閥“氣開、氣關(guān)”形式與流量特性的選擇原則； 講述