[理学]2 过程控制系统建模方法.ppt

过程控制系统建模概念; 2.1.1 建模概念;被控对象数学模型的要求:准确可靠。 在线运用的数学模型要求实时性。 建立数学模型时常用的近似处理：线性化、分布参数系统和模型降阶处理等。;1、机理法建模 根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程，物质平衡方程；能量平衡方程；动量平衡方程以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程，物性参数方程和某些设备的特性方程等，从中获得所需的数学模型。 ;2、测试法建模 根据工业过程的输入和输出的实测数据进行数学处理后得到的模型。 特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质，不需要深入掌握其内部机理。;测试法建模又可分为经典辨识法和现代辨识法两大类。 经典辨识法只需对少量的测试数据进行简单的数学处理；现代辨识法可以消除测试数据中的偶然性误差即噪声的影响，需要处理大量的测试数据。;例1、单容水槽对象的建模（图2.2） （课后请同学们自己分析后面两个例题！） ;具有纯延迟的单容对象特性; T + Δh = KΔμ 有纯延迟的单容对象的微分方程为 T +Δh = KΔu(t - ) (2-17) ; 对应的传递函数为 G(s)= = (2-18) 与式（2-7）相比多了延迟因子 。 ;无自平衡能力的单容对象特性 ;有一些被控对象，当被调量的平衡关系破坏后，被调量而以固定的速度一直变化下去而不会自动地在新的水平上恢复平衡。这种现象不具有自平衡特性，称为无自平衡过程。这种过程是临界稳定的，它需要很长时间，被调量才会有很大的变化。 ; 对于无自平衡能力的单容对象其动态方程为 A =Δ = A-液槽截面积。 ; 其传递函数为 G(s) = = ; 若双容对象调节阀1开度变化所引起的流入量还存在纯延迟，则其传递函数可推导为 G(s)= = ;2、具有自平衡能力的多容对象; 若T1=T2=……=Tn=T 则 G(s)= 若有纯延迟，则 G(s)= ;3.无自平衡能力??双容对象 ; 其对应的传递函数为 G(s)= ;无自平衡能力双容对象的阶跃响应曲线;4、相互作用的双容对象;可得对应的传递函数为 ;一、什么情况下使用测试建模法？ 1、对于某些生产过程的机理，还未充分掌握； 2、模型中有些参数难以确定； ;（1）测定动态特性的时域方法 对被控对象施加阶跃输入，测绘出对象输出量随时间变化的响应曲线，或施加脉冲输入测绘出输出的脉冲响应曲线。 由响应曲线的结果分析，确定出被控对象的传递函数。 该方法测试设备简单，测试工作量小、应用广泛，缺点是测试精度不高。 ;（2）测定动态特性的频域方法 对被控对象施加不同频率的正弦波，测出输入量与输出量的幅值比和相位差，获得对象的频率特性，来确定被控对象的传递函数。;（3）测定动态特性的统计相关法 对被控对象施加某种随机信号或直接利用对象输入端本身存在的随机噪音进行观察和记录， 可以在生产过程正常运行状态下进行，在线辨识，精度也较高。 统计相关法要求积累大量数据，并要用相关仪和计算机对这些数据进行计算和处理。 ;测定动态特性的时域法 ;在图中可看出： 设：U1(t)， U2(t) 作用下的阶跃响应曲线为y1(t)和y2(t) 。 ;则脉冲响应曲线为 即 上式就是由矩形脉冲响应曲线y(t),转换为阶跃响应曲线y1(t)的根据。 ;具体作法如下： 将时间轴按?t分成n等份，在0~t0+ ?t 区间，阶跃响应曲线与矩形脉冲响应曲线重合。 即 y1(t)=y(t) ;2 实验中应注意的问题 ;(3)测试应进行到被控参数接近它的稳态值或至少也要测试到被控参数的变化速度达到最大值之后。 (4)一般应在被控对象最小、最大及平均负荷下重复测试n条响应曲线进行对比。 (5)要注意被测量起始状态测量的精度和加阶跃信号的计时起点，这对计算对象延迟的大小和传递函数