2.第2章调节对象的特性.pptVIP

第二章 被控对象的数学模型§2.1 化工对象的特点及其描述方法 控制效果取决于调节对象（内因）和控制系统（外因）两个方面。 外因只有通过内因起作用，内因是最终效果的决定因素。 设计控制系统的前提是：正确掌握工艺系统、控制作用（输入）与控制结果（输出）之间的关系——对象的特性。 一、化工对象的特点 被控对象常见种类： 换热器、锅炉、精馏塔、化学反应器、贮液槽罐、加热炉等 1. 对控制质量影响程度相差很大 2. 类型繁多，特性相差悬殊 3.非线性、分布参数较多 二、对象特性 定义 对象特性，即过程特性 ：指被控过程输入量发生变化时，过程输出量的变化规律。 输入量：干扰作用、控制作用 输出量：被控参数 数学建模——就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系。 对象的数学模型：对象特性的数学描述。 通道：被控过程的输入量与输出量间的信号联系 控制通道-----操纵变量至被控变量的信号联系 扰动通道-----扰动变量至被控变量的信号联系 三、数学模型 对象的数学模型可以分为静态数学模型和动态数学模型。 静态数学模型描述的是对象在稳定时（静态）的输入与输出关系； 动态数学模型描述的是在输入量改变以后输出量跟随变化的规律； 比较与区别： 动态数学模型是更精确的模型，静态数学模型是动态数学模型在对象达到平衡时的特例。 数学模型的描述方法： 非参量模型：用曲线、图表表示的系统输入与输出量之间的关系；非参量模型可以通过记录实验结果来得到，有时也可以通过计算来得到，它的特点是形象、清晰，比较容易看出其定性的特征。根据输入形式的不同，主要有阶跃反应曲线、脉冲反应曲线、矩形脉冲反应曲线、频率特性曲线等。 参量模型：用数学方程式表示的系统输入与输出量之间的关系。对象的参量模型可以用描述对象输人、输出关系的微分方程式、偏微分方程式、状态方程、差分方程等形式来表示。 §2.2 对象数学模型的建立 一、建模目的 (1) 控制系统的方案设计 (2) 控制系统的调试和控制器参数的确定 (3) 制定工业过程操作优化方案 (4) 新型控制方案及控制算法的确定 (5) 计算机仿真与过程培训系统 (6) 设计工业过程的故障检测与诊断系统 二、建模方法 1理论分析---机理建模 根据系统工艺实际过程的数、质、量关系，分析建立输入量与输出量之间的关系。 优点：物理意义明确，模型适应性好，便于参数调整。 缺点：由于化工对象较为复杂，某些物理、化学变化的机理还不完全了解，而且线性的并不多，加上分布参数元件又特别多(即参数同时是位置与时间的函数)，所以对于某些对象，人们还难以写出它们的数学表达式，或者表达式中的某些系数（参数）需要许多前提条件（假设），或难以确定。 2. 实验研究——实验建模 有些系统的输入与输出之间的关系是比较难以通过计算来获得的。需要在实际系统或实验系统中，通过一组输入来考察输出的跟随变化规律——反映输入与输出关系的经验曲线和经验函数关系。例如：分度表 三、 典型简单对象的机理建模 一阶对象：系统输入、输出关系（动态特性）可以用一阶微分方程来表示的控制对象。 积分对象：系统动态特性可以用一阶积分方程来表示的控制对象。 二阶对象：系统动态特性可以用 二阶微分方程来表示的控制对象。 1. 一阶对象----水槽对象 由物料平衡可得： (Q1-Q2) =Adh/dt 由静压关系：Q2 =h/Rs RS——局部阻力项 由此可得： h+A Rs (dh/dt)= RSQ1 或:令 K=Rs ; T=A·Rs，则有 1. 一阶对象---- RC电路 根据基尔霍夫定律可得： 2. 积分对象 由物料平衡可得： (Q1-Q2) =Adh/dt 其中：Q2=C (常数) 由此可得： A (dh/dt) +Q2 = Q1 或: 3. 二阶对象 串联水槽对象 仍旧设液位——流量为线性关系，即有 四、常用实验建模方法 1．阶跃反应曲线法 方法：用实验的方法测取对象在阶跃输入作用下，输出量 随时间的变化规律。 优点：方法比较简单，不需要专用设备和仪器。 2．矩形脉冲法 当对象处于稳定工况下，在 时间突然加一阶跃干扰，幅值为A，到 时突然除去阶跃干扰，这时测得的输出量 y 随时间的变化规律，称为对象的矩形脉冲特性，而这种形式的干扰称为矩形脉冲干扰。 由于加在对象上的干扰，经过一段时间后即被除去，因此干扰的幅值可取得比较大，以提高实验精度； 对象的输出量又不致于长时间地偏离给定值，因而对正常生产影响较小。目前，这种方法是测取对象动态特性的常用方法之一。 3. 其他方法 除了应用阶跃干扰与矩形脉冲干扰作为实验测取