过程控制系统及其应用_课件_教学 （全套完整课件)_作者_居滋培_《过程控制系统及其应用(第2版)》课件(上).ppt

根据物料平衡关系，可写出双容对象的动态特性方程为 消去中间变量可得 或 式中 —时间常数，　　　 —积分时间常数，　 其传递函数为 （5-26） 若对象含有纯滞后，则传递函数为 （5-27） 同理对于无自平衡能力的n阶等容对象的传递函数为 （5-28） 以及当对象含有纯滞后时，传递函数为 　　　　　　 　　　　　　　（5-29） 了解对象的特性和生产过程的特点是十分重要的，要使设 计和投运的控制系统达到预期效果，就必须研究对象特性。 根据不同对象的特征，选择合适的控制系统和合适的控制规 律并正确地整定控制器的参数。这就是分析和了解对象动态 特性的目的。 第三节 时域法辨识对象的动态特性 前面已经介绍过，只有掌握好被控对象的特性，才能够正确地设计一个控制系统，正确选择控制器的控制规律和参数，使控制器动作与被控对象特性配合，从而获得良好的控制质量。 由于工业生产过程都不是简单的控制对象，根据被控对象的机理直接推导出对象的动态特性是困难的，有些甚至是不可能的。因此可以采用试验的方法来测出对象的动态特性。常用的测试方法有1）响应曲线法，它主要用阶跃试验或脉冲试验，根据响应曲线，用几何方法确定对象的动态参数。2）频率法，用频率域方法来描述对象的动态特性,目前已研究出多种求对象频率特性的方法。3）统计法，用伪随机信号测试，采用相关技术，应用统计方法测试出对象的动态特性。 由于用响应曲线法测取对象动态特性不需要专门的信号装置，方法简单，现场容易实现和控制，所以在单输入单输出系统的分析中，一直应用这种方法。本节将介绍在阶跃扰动或矩形脉冲扰动作用下对象的动态特性，据此分析过程控制对象的特点，并介绍试验的方法及根据特性响应曲线确定动态参数和传递函数的方法。 一、阶跃响应曲线的测定 （一）阶跃扰动法 当对象处于稳态时，对输入量施加一个阶跃扰动，并保持不变，测定其输出量随时间而变化的曲线称为阶跃响应曲线，见图5-13所示，这种方法前面已经作了介绍。 测取阶跃响应的原理很简单，但实际测量时应注意以下事项： (1) 合理地选择阶跃扰动信号的幅度。阶跃扰动的幅度过大会影响正常生产，甚至危及生产安全，这是不允许的。若阶跃信号过小则可能受干扰信号的影响，不能保证测试结果的真实可靠性。所以，在一般情况下，取允许最大值的5%～20%之间。在可能的情况下，以不影响生产为准，取大的扰动量为好。 (2) 测试前确保被控对象处于选定的某一稳定工作状态。一次试验要进行到被控过程达到或接近稳定状态。 (3) 实验时可以在相同的测试条件下重复多次，至少获 得两次基本相同的响应曲线。实验中应设法排除发生偶然性的干扰。 (4) 考虑到实际对象的非线性，实验时施加的扰动要分别从正方向和反方向变化，分别测出正方向和反方向变化的响应曲线，以求真实掌握对象的动态特性。 (5) 要特别注意记录下响应曲线的起始部分，以很好地获得对象的动态特性参数。 （二）矩形脉冲法 如果在生产中不允许长时间的阶跃扰动试验，可以采用矩形脉冲输入代替阶跃扰动输入。即施加一个较大幅值的阶跃扰动，待被控量将要到生产允许的最大偏差值时，立即清除扰动，使被控量回到起始值。这种方法的优点充许扰动幅值大些，可达到20%～30%，施加扰动的时间短，被控量的变化不会超过生产的允许值。故此方法应用也较多。 图5-13 阶跃响应曲线　 图5-14 矩形脉冲分解成两个阶跃作用 由于阶跃响应曲线的参数估计较方便，所以需要将矩形脉冲响应曲线转换成两个阶跃响应曲线再处理。 将矩形脉冲 分解成两个阶跃信号，见图5-14 与 的幅值相等，但方向相反，且开始作用的 ，即 时间不同，相差 因此 假设被控过程是线性的，阶跃信号 和 的响应分 和 ，根据迭加原理，则矩形脉冲响应就是两个 别为 阶跃响应之和，即 或写成 根据上式就可以用分段递推作图法得到阶跃响应 。 实测矩形脉冲输入和被控对象输出响应曲线见图5-15 具体方法如下： (2) 将所测绘的响应曲线按时间间隔△t进行等分。 (3) 第一个区间 。即阶跃响应曲线与脉冲 响应曲线一致。 (4) 第二个区间 即将第一区间的阶跃响应曲线迭加到第二区间的脉 冲响应曲线上，即得第二区间的阶跃响应曲线。 (5) 以此类推，将前一区间的阶跃响应曲线迭加到本区间的脉冲响应曲线上，即得本区间的阶跃响应曲线。 脉冲宽度的选择视输出量的幅值而定，并需考虑对象的惯性和滞后时间的大小。一般的方法是在正式测定前，取不同宽度的脉冲试扰动几次，观察被控