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热工仪表第二章 调节对象的特性§2.1 化工对象的特点及其描述方法 调节效果取决于调节对象(内因)和调节系统(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。 设计调节系统的前提是:正确掌握工艺系统调节作用(输入)与调节结果(输出)之间的关系——对象的特性。 对象特性的分类与研究方法 所谓研究对象的特性,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——数学建模。 对象的数学模型:对象特性的数学描述; 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; 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。 §2.2 对象理论数学模型的建立 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。 一阶对象的放大倍数和时间常数 (Q1-Q2)dt=Adh 其中 Q2?h/Rs 对于任意Q1输入,最终总能形成一定的h,使得: Q1 = Q2?h/Rs 一个Q1对应一个确定的h。 参数Rs实际上决定了稳定液位高度与给料量之间的对应关系——比例系数或放大倍数。 当某一瞬间Q1从a增加/减少到b时,h需要经过一段时间才能从对应的h1增加/减少到h2。时间常数T即用于描述此过程的快慢。 二阶对象传递滞后与容积滞后 * —过程特性及其数学模型— 对象特性——是指对象输入量与输出量之间的关系(数学模型) 即对象受到输入作用后,被控变量是如何变化的、变化量为多少…… 输入量?? 控制变量+各种各样的干扰变量 由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道 控制变量至被控变量的信号联系通道称控制通道 干扰至被控变量的信号联系通道称干扰通道 对象输出为控制通道输出与各干扰通道输出之和 控制通道 干扰通道 干扰变量 控制变量 被控变量 被控对象 数学模型的表示方法: 参量模型:通过数学方程式表示 常用的描述形式:微分方程(组)*、传递函数*、频率特性等 参量模型的微分方程的一般表达式: y(t)表示输出量,x(t)表示输入量,通常输出量的阶次不低与输入量的阶次(n≥m) 当n=m时,称对象是正则的;当nm时,称对象是严格正则的;nm的对象是不可实现的。通常n=1,称该对象为一阶对象模型;n=2,称二阶对象模型。 非参量模型:采用曲线、表格等形式表示。 特点:形象、清晰,缺乏数学方程的解析性质(必要时须进行数学处理获得参量模型)。 建模的方法:机理建模、实验建模、混合建模 机理建模——根据物料、能量平衡、化学反应、传热传质等基本方程,从理论上来推导建立数学模型。 由于工业对象往往都非常复杂,物理、化学过程的机理一般不能被完全了解,而且线性的并不多,再加上分布元件参数(即参数是时间与位置的函数)较多,一般很难完全掌握系统内部的精确关系式。另外,在机理建模过程中,往往还需要引入恰当的简化、假设、近似、非线性的线性化处理等,而且机理建模也仅适用于部分相对简单的系统。 实验建模——在所要研究的对象上,人为的施加一个输入作用,然后用仪表记录表征对象特性的物理量随时间变化的规律,得到一系列实验数据或曲线。这些数据或曲线就可以用来表示对象特性。 这种应用对象输入输出的实测数据来决定其模型的方法,通常称为系统辨识。其主要特点是把被研究的对象视为一个黑箱子,不管其内部机理如何,完全从外部特性上来测试和描述对象的动态特性。有时,为进一步分析对象特性,可对这些数据或曲线进行处理,使其转化为描述对象特性的解析表达式。 混合建模——将机理建模与实验建模结合起来,称为混合建模。 混合建模是一种比较实用的方法,它先由机理分析的方法提出数学模型的结构形式,把被研究的对象视为一个灰箱子,然后对其中某些未知的或不确定的参数利用实验的方法给予确定。这种在已知模型结构的基础上,通过实测数据来确定数学表达式中某些参数的方法,称为参数估计。 对象机理数学模型的建立 问题:处于平衡状态的对象加入干扰以后,不经控制系统能否自行达到新的平衡状态? 左图:假设初始为平衡状态qi=qo,水箱水位保持不变。 当发生变化时(qi>qo),此时水箱的水位开始升高 根据流体力学原理,水箱出口流量与H是存在一定的对应关系的: 因此,qi? ? H ? ?qo?,直至qi=qo可见该系统受到干扰以后,即使不加控制,最终自身是会回到新的平衡状态,这种特性称为“自衡特
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