1.3简单控制系统.过程模型和其建立.ppt

一、过程数学模型的表达形式与对模型的要求 二、建立数学模型的两个基本方法 1. 机理建模法 2. 测试建模法 三、阶跃响应确定传递函数 1. 阶跃响应获取应注意的问题 2. 确定自衡对象传递函数 3. 确定非自衡对象传递函数;1.被控对象数学模型的表达形式;4. 对过程模型的要求 对过程模型的要求是正确、可靠和简单。 5. 过程动态模型可分为三类 ?黑箱模型(Black box) ?灰箱模型(Gray box)或概念模型(conceptual model) ?白箱模型(white box) ;6. 过程模型建立的方法 系统辩识方法(System Identification)； 经验建模方法；机理建模方法：混合方法 ? 系统辩识方法：由输入输出数据确定模型的结构和参数的建模方法，建立的模型称为黑箱模型 ? 过程辨识的方法按输入变量的变化大致可分为非周期函数，周期函数，非周期性随机函数及周期性函数等四类。常用阶跃响应法和脉冲响应法； ? 需要验前知识少，但建立的模型不具有放大功能，即不能类推到不同型号的放大设备或过程中； ? 把两种途径结合，介于上述两种方法之间的建模方法，称为混合方法。所得模型称为灰箱模型。;1.机理建模方法： 根据过程的内在机理，应用物料平衡、能量平衡和有关的化学、物理规律建立过程模型的方法是机理建模方法，又称为过程动态学方法。建立的模型称为白箱模型 2.建立机理模型的方法 ? 列写基本方程：物料平衡和能量平衡方程等； ? 消去中间变量，建立状态变量x、控制变量u和输出变量y的关系； ? 增量化：在工作点对方程进行增量化得增量方程 ? 线性化：在工作点作线性化处理，简化过程特性 ? 列写状态和输出方程 ;机理建模：;3.机理模型的优点 ? 充分利用已知的过程知识，从事物的本质上去认识外部特性 ? 可验前得出，在流程和设备的设计阶段即能求取； ? 有较大的适用范围，操作条件变化时可以类推。 4.机理模型的缺点 ? 对于复杂的过程，对基本方程的某些参数不完全掌握，如换热器的K值，由传热学知识提供的公式可能有±10～30％的误差等 ? 如不经过输入输出数据的验证，则近乎纸上谈兵，难以判断其正确性;例：二阶双容水箱对象/机理建模;则根据梅逊公式可得对象的等效传递函数为;测试建模/实验法：实验测试法建模是根据被控过程输入、输出的实测数据进行数学处理后得到数学模型。与机理法建模相比，测试法建模的主要特点是在预先设计一个合理的测试方案下，无需深入了解被控过程机理，通过试验数据以获得被控过程的数学模型。实验测试法建模是把被研究的被控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。对于一些复杂的工业过程，测试方案设计显得尤为重要。 利用输入输出数据提供的信息建立过程对象的数学模型，也叫辨识 实质：从一组模型类中选择一个模型，按照某种准则，使之能最好地拟合所关心的实际过程的动态特性。;测试建模/实验法分为：;阶跃响应法(也称飞升曲线) 阶跃响应曲线法是对处于开环、稳态的被控过程，使其控制输入量产生一阶跃变化，测得被控过程的阶跃响应曲线， 然后再根据阶跃响应曲线，求取被控过程输入与输出之间的动态数学关系——传递函数。;阶跃响应(飞升曲线)法 非常简单，只要有遥控阀和被控变量纪录仪表就可以进行。 先使工况保持平稳一段时间，然后使阀门作阶跃式的变化(在10%～20%以内),同时把被控变量的变化过程记录下来,得到广义对象的阶跃响应曲线;. 阶跃响应获取应注意的问题;. 阶跃响应获取应注意的问题;首先要根据被控过程阶跃响应曲线的形状，选定模型传递函数的形式； 然后再确定具体参数； 在工业生产中，大多数过程的过渡过程都是有自平衡能力的非振荡衰减过程，其传递函数可以用一阶惯性环节加滞后、二阶惯性环节加滞后或n阶惯性环节加滞后几种形式来近似(如前述)。; 对于无自平衡特性的被控对象，可以选用以下传递函数近似(如前述)。后面还将讨论具体方法。;一般从以下方面考虑： 根据被控过程的先验知识，选用相应合适的传递函数形式； 根据建立数学模型的目的及对模型的准确性要求，选用合适的传递函数形式。 在满足精度要求的情况下，尽量选用低阶传递函数的形式。一般都采用一、二阶传递函数的形式来描述。 确定了传递函数形式之后，由阶跃响应曲线来求取被控对象动态特性的特征参数(包括放大系数K、时间常数T、迟延时间τ等)。;★从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应 脉冲响应法就是用实验的方法测取对象在矩形脉冲输入信号作用下，其输出量的变化规律。 优点：幅值大、时间短，可达到20%～30% ，被控量的变化不会超过生产的允许值。 将矩形脉冲u(t)分解成两个阶跃