第二章1被控過程的數(shù)學模型-單容多容

1、第二章第二章 被控過程的數(shù)學模型被控過程的數(shù)學模型p 數(shù)學模型數(shù)學模型 用數(shù)學的方法來描述系統(tǒng)輸出量與輸入量之間的關系，這種系統(tǒng)特性的數(shù)學描述就稱為系統(tǒng)的數(shù)學模型。 由于在過渡過程中，系統(tǒng)的輸出（即被控變量）隨時間而變化，因而在描述系統(tǒng)特性的數(shù)學模型中不僅會出現(xiàn)這些變量本身，而且也包含這些變量的各階導數(shù)，所以，系統(tǒng)特性方程式是微分方程式，它是表示系統(tǒng)數(shù)學模型最基本的形式。2.1 概述概述2.1 概述概述建立數(shù)學模型的意義建立數(shù)學模型的意義 在研究與分析一個控制系統(tǒng)時，不僅要定性地了解系統(tǒng)的工作原理及特性，而且還要定量地描述系統(tǒng)的動態(tài)性能。n設計控制系統(tǒng)和整定調節(jié)器的參數(shù)。 尤其實現(xiàn)生產過程的最

2、優(yōu)控制，不充分掌握數(shù)學模型，無法最優(yōu)設計。n指導生產工藝及其設備的設計。 可以確定有關因素對整個被控過程的影響，起到指導作用。n對被控過程進行數(shù)學模型仿真研究。 可以獲取代表或逼近真實過程的大量數(shù)據(jù)，為控制系統(tǒng)設計和調試提供大量所需信息，降低設計成本和加快設計進度。這些都離不開數(shù)學模型。過程數(shù)學模型的兩種描述形式過程數(shù)學模型的兩種描述形式： 非參量形式非參量形式和和參量形式參量形式非參量形式非參量形式 用曲線或數(shù)據(jù)表格表示?？梢酝ㄟ^記錄實驗結果得到，有時也可以通過計算得到，它的特點是形象、清晰，比較容易看出其定性的特征。 但是，由于它們缺乏數(shù)學方程的解析性質，要直接利用它來進行系統(tǒng)的分析和設計

3、往往比較困難，必要和可能時，可以對它們進行一定的數(shù)學處理來得到參量模型的形式。2.1 概述概述參量形式參量形式： 2.1 概述概述 式中式中 及及 分別為與系統(tǒng)分別為與系統(tǒng)結構和參數(shù)有關的常系數(shù)。它們與系統(tǒng)的特性有關，結構和參數(shù)有關的常系數(shù)。它們與系統(tǒng)的特性有關，一般需要通過系統(tǒng)的一般需要通過系統(tǒng)的內部機理分析內部機理分析或或大量的實驗數(shù)大量的實驗數(shù)據(jù)處理據(jù)處理才能得到。才能得到。)()()()()()()()(01)1(1)(01)1(1)(trbtrbtrbtrbtcatcatcatcammmmnnnn011,aaaann011,bbbbmm2.1 概述概述 復數(shù)域模型包括系統(tǒng)復數(shù)域模型包

4、括系統(tǒng)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)和和結構圖結構圖，傳遞函數(shù)不，傳遞函數(shù)不僅可以表征系統(tǒng)的動態(tài)特性，而且可以用來研究系統(tǒng)的結僅可以表征系統(tǒng)的動態(tài)特性，而且可以用來研究系統(tǒng)的結構或參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。構或參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。 線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)定義為線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)定義為零初始條件下，輸出零初始條件下，輸出量（響應函數(shù)）的拉普拉斯變換與輸入量（輸入函數(shù)）的量（響應函數(shù)）的拉普拉斯變換與輸入量（輸入函數(shù)）的拉普拉斯變換之比拉普拉斯變換之比。拉普拉斯變換為：。拉普拉斯變換為：0)()()(dtetftfLsFst2.1 概述概述 傳遞函數(shù)三要素傳遞函數(shù)三要素： 線性定常系統(tǒng)；線性定常系統(tǒng)；

5、 零初始條件；零初始條件； 輸出與輸入的拉氏變換之比。輸出與輸入的拉氏變換之比。 零初始條件：零初始條件： 輸入及其各階導數(shù)在輸入及其各階導數(shù)在t =0-時刻均為時刻均為0； 輸出及其各階導數(shù)在輸出及其各階導數(shù)在t =0-時刻均為時刻均為0。 形式上記為：形式上記為：nnnnmmmmasasasabsbsbsbsRsCsG11101110)()()(2.1 概述概述傳遞函數(shù)的性質：傳遞函數(shù)的性質：1 1）傳遞函數(shù)是復變量）傳遞函數(shù)是復變量s s的有理真分式函數(shù)；的有理真分式函數(shù)；2 2）傳遞函數(shù)僅與系統(tǒng)自身的結構和參數(shù)有關，）傳遞函數(shù)僅與系統(tǒng)自身的結構和參數(shù)有關， 與系統(tǒng)輸入量形式無關；與系統(tǒng)

6、輸入量形式無關；3 3）傳遞函數(shù)與微分方程有相通性，可相互轉換；）傳遞函數(shù)與微分方程有相通性，可相互轉換；4 4）傳遞函數(shù)是系統(tǒng)單位脈沖響應的拉氏變換。）傳遞函數(shù)是系統(tǒng)單位脈沖響應的拉氏變換。2.1 概述概述p傳遞函數(shù)列寫大致步驟：傳遞函數(shù)列寫大致步驟： 方法一：列寫系統(tǒng)的微分方程；方法一：列寫系統(tǒng)的微分方程； 消去中間變量；消去中間變量； 在零初始條件下取拉氏變換；在零初始條件下取拉氏變換； 求輸出與輸入拉氏變換之比；求輸出與輸入拉氏變換之比； 方法二：列寫系統(tǒng)中各元件的微分方程；方法二：列寫系統(tǒng)中各元件的微分方程； 在零初始條件下求拉氏變換；在零初始條件下求拉氏變換； 整理拉氏變換后的方程

7、組，消去中間變量；整理拉氏變換后的方程組，消去中間變量； 整理成傳遞函數(shù)的形式；整理成傳遞函數(shù)的形式；2.1 概述概述(c) 頻率特性頻率特性 頻域模型主要描述系統(tǒng)的頻率特性，應用頻率頻域模型主要描述系統(tǒng)的頻率特性，應用頻率特性在實際工作中不需要進行大量的計算，就能特性在實際工作中不需要進行大量的計算，就能比較迅速地分析系統(tǒng)中各個參量對系統(tǒng)性能的影比較迅速地分析系統(tǒng)中各個參量對系統(tǒng)性能的影響以及可以直接研究閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而不必響以及可以直接研究閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而不必求出系統(tǒng)的特征根。求出系統(tǒng)的特征根。 將將傳遞函數(shù)中傳遞函數(shù)中 換成換成 ，即為頻率特性，即為頻率特性。因此，。因此，如果已

8、知各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，就不需要逐一推如果已知各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，就不需要逐一推導每個環(huán)節(jié)的頻率特性，而是以導每個環(huán)節(jié)的頻率特性，而是以 代替代替 求取。求取。反之把頻率特性中反之把頻率特性中 換成換成 ，就可得到該環(huán)節(jié)或，就可得到該環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。sjsjjs2.1 概述概述建立數(shù)學模型的方法建立數(shù)學模型的方法：l物理機理方法建模物理機理方法建模 根據(jù)過程的內在機理，運用已知的靜態(tài)和動態(tài)的能量（物料）平衡關根據(jù)過程的內在機理，運用已知的靜態(tài)和動態(tài)的能量（物料）平衡關系，用數(shù)學推理的方法建立數(shù)學模型。系，用數(shù)學推理的方法建立數(shù)學模型。l實驗辨識實驗辨識 （系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計

9、法）（系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計法） 根據(jù)過程輸入、輸出的實驗測試數(shù)據(jù)，通過辨識和參數(shù)估計建立過程根據(jù)過程輸入、輸出的實驗測試數(shù)據(jù)，通過辨識和參數(shù)估計建立過程的數(shù)學模型。的數(shù)學模型。l混合法混合法 首先通過機理分析確定過程模型的結構形式，然后利用實驗測試數(shù)據(jù)首先通過機理分析確定過程模型的結構形式，然后利用實驗測試數(shù)據(jù)來確定模型中各參數(shù)的大小。來確定模型中各參數(shù)的大小。2.1 概述概述2.2 采用物理機理方法建模采用物理機理方法建模(1) 單容過程的建模單容過程的建模 只有一個存儲容量的過程。自衡單容過程自衡單容過程和無自衡單容過程無自衡單容過程。自衡過程：自衡過程：被控過程在擾動作用下，平衡被控過程在

10、擾動作用下，平衡狀態(tài)被破壞后，無需操作人員或儀表的干狀態(tài)被破壞后，無需操作人員或儀表的干預，依靠自身能夠恢復平衡的過程。預，依靠自身能夠恢復平衡的過程。無自衡過程：無自衡過程：被控過程在擾動作用下，平衡狀被控過程在擾動作用下，平衡狀態(tài)被破壞后，若無操作人員或儀表的干預，依態(tài)被破壞后，若無操作人員或儀表的干預，依靠自身能力不能恢復平衡的過程?？孔陨砟芰Σ荒芑謴推胶獾倪^程。自衡過程的階躍響應圖無自衡過程的階躍響應圖例例1：右圖為單容液位過程，液位高度h為被控量，液體體積流量Q1為控制量，閥1的開度控制Q1，由閥2控制Q2。建立該過程的數(shù)學模型。解解:最終求解的數(shù)學模型最終求解的數(shù)學模型 是是h和和

11、Q1的關系。的關系。依據(jù)：依據(jù)：動態(tài)能量平衡。動態(tài)能量平衡。（指單位時間內流入與流出能量之差（指單位時間內流入與流出能量之差等于被控過程內能量存儲量的變化量。）等于被控過程內能量存儲量的變化量。） 2.2 物理機理方法建模物理機理方法建模增量形式:動態(tài)能量平衡:(1)(2)2.2 物理機理方法建模物理機理方法建模(3)將（將（3）式帶入（）式帶入（2）式，可得微分方程：）式，可得微分方程：(4)1dhThKQdt帶有帶有純時延純時延的單容過程：的單容過程： 若以Q0為控制量，閥門1變化后，Q0流經長度為L的管道后進入貯罐，液位才能變化。0：指純時延時間。Q0流經為L的管道需要時間。2.2 物理

12、機理方法建模物理機理方法建模2.2 物理機理方法建模物理機理方法建模單容過程的階躍響應無時延的階躍響應 有時延階躍響應 例例2 右圖為由電爐和加熱容器組成的溫度過程。容器內水溫T1保持恒定，為被控參數(shù)，即輸出量。電爐連續(xù)給水供熱Q1為輸入量（控制參數(shù)）。盛水容器向室內散發(fā)熱量Q2，室溫為T2，試建立溫度過程的數(shù)學模型。2.2 物理機理方法建模物理機理方法建模（1）2.2 物理機理方法建模物理機理方法建模散失熱量Q2為：式中，Kr-傳熱系數(shù)，A-面積，T2-室內溫度。（2）保溫材料的熱阻：（3）將(2)(3)帶入(1)，用增量表示，微分方程為：(4)2.2 物理機理方法建模物理機理方法建模 檢測儀表數(shù)學模型檢測儀表數(shù)學模型 Km (s) = 1 / ( 0.1s + 1 ) 執(zhí)行器和調節(jié)閥數(shù)學模型執(zhí)行器和調節(jié)閥數(shù)學模型 Ka (s) = 1 / ( 0