化工自动化及仪表第二章.ppt

2.1 化工过程的特点及其描述方法 化工过程特点 对控制质量影响程度相差很大 类型繁多，特性相差悬殊 非线性、分布参数较多 对象特性 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 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。这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。 在建立对象数学模型(建模)时，一般将被控变量看作对象的输出量，有时也叫输出变量，而将干扰作用和控制作用看作对象的输入量、有时也叫输入变量。 干扰作用和控制作用都是引起被控变量变化的因素 对象特性（续） 通道：被控过程的输入量与输出量之间的信号联系 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 数学模型表达形式 非参量模型： 当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，称为非参量模型。 特点：形象、清晰，易看出定性特性，但缺乏数学方程的解析性质，一般由试验直接获取。 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。 数学模型表达形式（续） 参量模型： 当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模型。 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。本节所涉及的模型均为用微分方程描述的线性定常动态模型。 数学模型表达形式（续） 参量模型： 对于线性的集中参数对象、通常可用常系数线性微分方程式来描述，如果以x(t)表示输入量，y(t)表示输出量，则对象特性可用下列微分方程式来描述： 数学模型表达形式（续） 参量模型： 一个对象如果可以用一个一阶微分方程式来描述其特性(通常称一阶对象)、则可表示为： 2.2 对象数学模型的建立 建模目的 控制系统的方案设汁 对被控对象特性的全面和深入地了解，是设计控制系统的基础。 控制系统的调试和控制器参数的确定 为了使控制系统能安全投运并进行必要的调试，必须对被控对象的特性有充分的了解。 制定工业过程操作优化方案 操作优化往往可以在基本不增加投资与设备的情况下，获取可观的经济效益。 新型控制方案及控制算法的确定 在用计算机构成一些新型控制系统时，往往离不开被控对象的数学模型。 建模目的（续） 计算机仿真与过程培训系统 利用开发的数学模型和系统仿真技术，使操作人员有可能在计算机上对各种控制策略进行定量的比较与评定，有可能在计算机上仿效实际的操作，从而高速、安全、低成本地培训工程技术人员和操作工人，有可能制定大型设备启动和停车的操作方案。 设计工业过程的故障检测与诊断系统 利用开发的数学模型可以及时发现工业过程中控制系统的故障及其原因，井能提供正确的解决途径。 机理建模 通过对过程内部运动机理的分析，根据其物理或化学变化规律，在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后得到过程特性方程，其表现形式往往是微分方程或代数方程。这种方法完全依赖于足够的先验知识，所得到的模型称为机理模型。 优点：具有非常明确的物理意义，所得的模型具有很大的适应性，便于对模型参数进行调整。 缺点：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，难以写出它们的数学表达式，或者表达式中某些系数还难以确定。 机理建模（续） 用微分方程描述对象模型 根据系统的机理分析，列写系统微分方程的步骤: (1)确定系统的输入、输出变量； (2)从输入端开始，按照信号的传递顺序，依据各变量所遵循的物理、化学等定律，列写各变量之间的动态方程，一般为微分方程组； (3)消去中间变量，得到输入、输出变量的微分方程； (4)标准化：将与输入有关的各项放在等号右边，与输出有关的各项放在等号左边，并且分别按降幂排列，最后将系数归化为反映系统动态特性的参数，如时间常数等。 1．一阶对象（单容对象） (1)水槽对象 对象物料蓄存量变化率＝单位时间流入对象物料—流出对象物料 对象在扰动作用破坏其平衡工况后，在没有操作人员或调节器的干预下自动恢复平衡的特性，称为自衡特性。 自衡率说明自衡能力的大小。与K互为倒数。 (2) RC电路 (1)确定输入输出变量 输入变量ein、输出变量eout (2)按机理列写方程 (3)消去中间变量 (4)标准化 一阶惯性环节的特性： 此环节中含有一个独立的储能元件，以致对突变的输入来说，输出不能立即复现，存在时间上的延迟。 一阶惯性环节数