化工仪表及自动化课件--第二章 过程特性及其数学模型.ppt

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化工仪表及自动化课件--第二章 过程特性及其数学模型

第三节 描述对象特性的参数 30 举例 简单水槽为例 由前面的推导可知 假定Q1为阶跃作用,t0时Q1=0; t0或t=0时Q1=A,如左图。 则函数表达式为 (2-33) 图2-16 反应曲线 第三节 描述对象特性的参数 从上页图反应曲线可以看出,对象受到阶跃作用后,被控变量就发生变化,当t→∞时,被控变量不再变化而达到了新的稳态值h(∞),这时上式可得: 或 对于简单水槽对象,K=RS,即放大系数只与出水阀的阻力有关,当阀的开度一定时,放大系数就是一个常数。 (2-34) 31 第三节 描述对象特性的参数 32 将 t=T 代入式(2-33),得 (2-35) 将式(2-34)代入式(2-35),得 (2-36) 当对象受到阶跃输入后,被控变量达到新的稳态值的63.2%所需的时间,就是时间常数T,实际工作中,常用这种方法求取时间常数。显然,时间常数越大,被控变量的变化也越慢,达到新的稳定值所需的时间也越大。 第三节 描述对象特性的参数 图2-17 不同时间常数下的反应曲线 T1<T2<T3<T4 说明 时间常数大的对象(如T4) 对输入的反应较慢, 一般认为惯性较大。 33 第三节 描述对象特性的参数 34 在输入作用加入的瞬间,液位h的变化速度是多大呢? 将式(2-33)对 t 求导,得 (2-37) 当 t =0 (2-38) 当 t →∞时,式(2-37)可得 (2-39) 第三节 描述对象特性的参数 图2-18 时间常数T的求法 由左下图所示,式(2-38)代表了曲线在起始点时切线的斜率,这条切线在新的稳定值h(∞)上截得的一段时间正好等于T。 由式(2-33),当 t =∞时,h = KA。当 t=3T时,代入式(2-33)得 (2-40) 从加入输入作用后,经过3T时间,液位已经变化了全部变化范围的95%,这时,可以近似地认为动态过程基本结束。所以,时间常数T是表示在输入作用下,被控变量完成其变化过程所需要的时间的一个重要参数。 结 论 35 第三节 描述对象特性的参数 三、滞后时间τ 定义 分类 对象在受到输入作用后,被控变量却不能立即而迅速地变化,这种现象称为滞后现象。 滞 后 性 质 传递滞后 容量滞后 传递滞后又叫纯滞后,一般用τ0表示。τ0的产生一般是由于介质的输送需要一段时间而引起的。 对象在受到阶跃输入作用x后,被控变量y开始变化很慢,后来才逐渐加快,最后又变慢直至逐渐接近稳定值。 36 第三节 描述对象特性的参数 37 1. 传递滞后 显然,纯滞后时间τ0与皮带输送机的传送速度v和传送距离L有如下关系: (2-41) 溶解槽及其反应曲线 纯滞后时间 举例 第三节 描述对象特性的参数 从测量方面来说,由于测量点选择不当、测量元件安装不合适等原因也会造成传递滞后。 蒸汽直接加热器 当加热蒸汽量增大时,槽内温度升高,然而槽内溶液流到管道测温点处还要经过一段时间τ0。所以,相对于蒸汽流量变化的时刻,实际测得的溶液温度T要经过时间τ0后才开始变化。 注意:安装成分分析仪器时,取样管线太长,取样点安装离设备太远,都会引起较大的纯滞后时间,工作中要尽量避免。 38 39 图2-21 有、无纯滞后的一阶阶跃响应曲线 x为输入量,y(t)、 yτ(t)分别为无、有纯滞后时的输出量时 或 若无纯滞后的对象特性可以用下述方程式描述 (2-44) 则有纯滞后的对象特性可以用下述方程式描述 (2-45) 第三节 描述对象特性的参数 第三节 描述对象特性的参数 40 一般是由于物料或能量的传递需要通过一定阻力而引起的。 举例 前面介绍过的两个水槽串联的二阶对象 将输出量h2用y表示,输入量Q1用x表示,则方程式可写为 假定输入作用为阶跃函数,其幅值为A。已知,二阶常系数微分方程式的解是 (2-46) (2-47) 2. 容量滞后 第三节 描述对象特性的参数 由于对应的齐次方程式为 其特征方程为 求得特征根为 故齐次方程式的通解为 式中,C1、C2为决定于初始条件的待定系数。 (2-48) (2-49) (2-50) 41 第三节 描述对象特性的参数 42 式(2-46)的一个特解可以认为是稳定解, 由于输入x=A,稳定时 将式(2-51)及式(2-50)代入式(2-47) 可得 用初始条件y(0)=0, y(0)=0代入式( 2-52 ) 可分别解得 图2-22 具有容量滞后对象的反应曲线 (2-51) (2-52) (2-53) (2-54) 第三节 描述对象特性的参数 将上述两式代入式(2-52),可得 上式便是串联水槽对象的阶跃反应函数。由此

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