化工仪表及自动化(第五版)第二章 过程特性及其数学模型.ppt

第二章 过程特性及其数学模型 第一节 化工过程的特点及其描述方法 在自动化控制过程中，首先必须深入了解对象的特性，了解它的内在规律，才能根据工艺对控制质量的要求，设计合理的控制系统，选择合适的被控变量和操纵变量，选用合适的测量元件及控制器。 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 在研究对象特性时，应预先指明对象的输入量和输出量因为对于同一个对象，不同通道的特性可能是不同的。 对象的数学模型可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静态时的输入量与输出量之间的关系。 动态模型描述的时对象在输入量改变以后输出量的变化情况。 静态数学模型是对象在达到平衡状态时的动态数学模型的一个特例。 用以控制的数学模型一般是在工艺流程和设备尺寸等都已经确定的情况下，研究的是对象的输入变量时如何影响输出变量的，目的是为了使所设计的控制系统达到更好的控制效果。 用于工艺设计的数学模型是在产品规格和产量已经确定的情况下，通过模型的计算来确定设备的结构、尺寸、工艺流程和某些工艺条件，以期达到最好的经济效益 RC电路 实验建模 过程特性参数可以由过程的数学模型通过求解得到，但是在生产过程中，很多过程的数学模型是很难得到的。 工程上一般用实验方法来测定过程特性参数。最简便的方法就是直接在原设备或机器中施加一定的扰动，通过该过程的输出变量进行测量和记录，然后通过分析整理得到过程特性参数。 在测试过程中尽可能排除其它干扰的影响，以提高测量精度； 在相同条件下重复测试多次，以抽取其共性； 在测试和记录的过程中，应持续到输出量达到新的稳态值； 许多工业对象不是真正的线性对象，由于非线性关系，对象的放大倍数是可变的，所以作为测试对象的工作点应该选择正常的工作状态（一般要求运行在额定负荷、正常干扰等条件下）。 阶跃扰动法直观、简便易行、所以得到了广泛的应用。 但是阶跃扰动时间较长、扰动因素较多，会影响测试精度； 由于工艺条件的限制，阶跃扰动幅度不能太大，所以在实施扰动法时应该在系统相对稳定的情况下进行。一般所加输入作用的大小事取额定值的5~10%。 阶跃扰动法简易但精度较差的对象特性测试方法 矩形脉冲扰动法 矩形脉冲干扰法来测取对象特性时，由于加在对象的干扰，经过一段时间后即被去除，因此干扰的幅度可以取得比较大，以提高实验精度，对象的输出量又不至于长时间地偏离给定值，因而对正常生产影响较小。目前，这种方法也是测取对象动态特性地常用方法之一。 周期扰动法 在过程的输入端施加一系列频率不同的周期性扰动，一般以正弦波居多。 由于正弦波扰动围绕在设定值上下波动，对工艺生产的影响较小，测试精度较高，可直接取得过程的频率特性，数据处理简单、直观。 本法需要复杂的正弦波发生器，测试的工作量较大。 统计相关法 该法可直接利用正常运行所记录的数据进行统计分析，建立数学模型，进而获得过程特性参数。 第三节 描述对象特性的参数 用特性方程来描述对象特性在实际操作中很不直观，故提取了3个参数来直接描述对象特性。 KO 越大 ? 控制变量?u对被控变量?y的影响越灵敏 ? 控制能力强 Kf 越大 ? 干扰?f对被控变量?y的影响越灵敏。 在设计控制系统时，应合理地选择KO使之大些，抗干扰能力强，太大会引起系统振荡。 时间常数T 不同的对象反应速度不一样，如何定量的表示这种特性呢？ 在自动化领域，往往用时间常数T来表示。 时间常数越大，表示对象受到干扰作用后，被控变量变化得越慢，到达新的稳定值所需的时间越长。 时间常数T是反映响应变化快慢或响应滞后的重要参数。用T表示的响应滞后，T大反应慢，难以控制；T小反应快。 控制通道纯滞后?对控制肯定不利，纯滞后增大?控制质量恶化、超调量?大 干扰通道的纯滞后对系统响应影响不大，因为干扰本身是不确定的，可以在任何时间出现。 在工艺设计时，应尽量减少或避免纯滞后时间。如：简化工艺、减少不必要的环节，以利于减少控制通道的滞后时间，在选择控制阀与检测点的安装位置时，应选取靠近控制对象的有利位置。 控制通道TO大 ? 响应慢、控制不及时、过渡时间tp长、超调量?大 控制通道TO小 ? 响应快、控制及时、过渡时间tp短、超调量?小 控制通道TO太小 ? 响应过快、容易引起振荡、降低系统稳定性。 干扰通道的时间常数对被控变量输出的影响也是相类似的。 一般情况希望TO小些，但不能太小，Tf大些。 纯滞后τ 定义：在输入变化后，输出不是随之立即变化，而是需要间隔一段时间才发生变化，这种现象称为纯滞后（时滞）现象。 具有纯滞后时间的阶跃响应曲线 定义中的纯滞后包括了两种滞后：纯滞后、容量滞后。