过程动态特性的数学描述及其经典测试法-浙江大学.ppt

也称为单容过程 * * * 经过扰动后达到新的稳态 * 假设A=1，R1＝2，R2=4 注意两条曲线的形状，注意曲线的纵坐标 前提是线性对象 * * 由于设备和管道上的压力损失与通过的流量成平方关系，当总压一定时，随着阀开度增大，管道流量增加，调节阀上压降将逐渐减小，如上图所示。因此在相同的阀芯位移下，现在的流量要比调节阀上压降保持不变的理想情况小。而且随着阀开度越大，阀上压降所占的比重越小，流量与调节阀上压降保持不变的理想情况时的流量之间的差距越大。 * 63.2% * * 对两种建模方法进行对比，引出灰箱建模 * 注意： 在实际过程中不会得到如此平滑的曲线 K是有单位的量，通常会进行无因次化变换 * 注意：只用于线性系统，为什么？ 气动调节阀的结构 u(t)：控制器输出 ( 4~20 mA 或 0~10 mA DC)； pc ：调节阀气动控制信号（ 20~100kPa ）； l：阀杆相对位置； f ：相对流通面积； q ：受调节阀影响的管路相对流量。 阀门的“气开”与“气关” 1. 气开阀与气关阀 * 气开阀： pc↑→ f↑ (“有气则开”) * 气关阀： pc↑→ f↓ (“有气则关”) 无气源( pc = 0 )时，气开阀全关，气关阀全开。 2. 气开/气关的选择原则——安全性 * 若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。 调节阀的气开气关选择 调节阀的理想流量特性 调节阀理想流量特性：通过控制阀的流量和阀门开度之间的函数关系。 f 为相对流量；l 为相对开度： 线性阀（1）： 等百分比阀或称对数阀（2）： 阀阻比 S100：调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比，即 调节阀工作流量特性 调节阀工作流量特性（续） 线性阀的特性变异 对数阀的特性变异 调节阀流量特性总结 线性阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当开度到达50 ~ 70%时，流量已接近其全开时的数值，即Kv随着开度的增大而显著下降。 对数阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的减少， Kv 渐近于常数。 调节阀流量特性的选择 选择原则： 仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于 0. 60 以上（即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。 “广义对象”的概念 特点：（1）使控制系统的设计与分析简化； （2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性； （3）只关心某些特定的输入输出变量。 广义对象的描述 可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象： 过程增益的计算 过程增益计算举例 #1 过程增益计算举例 #2 过程增益计算举例 #3 过程增益备注 过程增益描述了稳态条件下，过程输出对输入变量变化的灵敏度。 被控过程增益包括三部分：符号、数值与单位。 过程增益只涉及两个稳态，因此说过程增益反映了被控过程的静态或稳态特性。有时，也称“静态/稳态增益”。 过程的时间常数 基本定义 对单容过程而言，过程一阶时间常数定义为 过程输出开始变化至达到全部变化的63.2%所需的时间. 过程的时间滞后 基本定义 过程纯滞后时间定义为 过程输入施加激励至过程输出开始变化所需的时间. 关于过程特性参数 K, T,τ 这三个参数的取值描述了一个实际被控过程的基本特性，其中 K 反映静态特性，而T、τ 反映了过程的动态特性。 由于绝大多数工业过程为非线性对象，即使对于同一被控过程，上述参数也将随工况的变化而变化。 对象两时间参数的比值（τ/ T）直接关系到控制系统的可控性。τ/ T越大，控制难度越大。 被控对象动态建模方法 机理建模 原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。 特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。 测试建模 原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。 特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。 对象特性的阶跃响应测试法 借助于阶跃响应试验，获取过程输入输出（CO、TO）动态响应数据。 (1) 将控制器改为“手动”操作模式； (2) 以阶跃方式，改变控制器输出； (3) 记录控制器输出与变送器输出响应数据。 基于过程测试数据，估计