Ch06基于過程數(shù)據(jù)的實驗建模

1、基于過程數(shù)據(jù)的實驗建模1過程對象的建模方過程對象的建模方法法數(shù)學方法數(shù)學方法實驗方法實驗方法由工藝過程寫出平衡方程由工藝過程寫出平衡方程推導被控對象的數(shù)學模型推導被控對象的數(shù)學模型求解模型得出特性參數(shù)求解模型得出特性參數(shù)結合實際進行理論分析結合實際進行理論分析實驗測試求實驗測試求出特性參數(shù)出特性參數(shù)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)-激勵信激勵信號號-動態(tài)變化動態(tài)變化- -測得實驗數(shù)據(jù)測得實驗數(shù)據(jù)或曲線或曲線-進行進行分析分析對象特性對象特性參數(shù)參數(shù)基于過程數(shù)據(jù)的實驗建模實驗方法在工程上應用的原因： 對象的動態(tài)特性雖可運用流動、蒸發(fā)、化學反應、傳熱、吸收對象的動態(tài)特性雖可運用流動、蒸發(fā)、化學反應、傳熱、吸收等物理化學基

2、礎理論來推導求解，但由于具體對象的物理化等物理化學基礎理論來推導求解，但由于具體對象的物理化學過程是復雜的，在數(shù)學推導過程中學過程是復雜的，在數(shù)學推導過程中必須作許多假設和簡化，必須作許多假設和簡化，推導的結果尚需實驗測試來驗證推導的結果尚需實驗測試來驗證；實際工業(yè)對象的實際工業(yè)對象的機理很復雜機理很復雜，有時甚至很難用，有時甚至很難用數(shù)學方法推導數(shù)學方法推導，這時只能用實驗方法來測定；這時只能用實驗方法來測定；有許多被控對象的特性在運行過程中會隨工況變化而改變，或有許多被控對象的特性在運行過程中會隨工況變化而改變，或隨其他因素而改變，隨其他因素而改變，為了提高控制系統(tǒng)的品質為了提高控制系統(tǒng)的

3、品質，有時需要采，有時需要采用自整定控制或自適應控制，這種系統(tǒng)就非得在運行過程中用自整定控制或自適應控制，這種系統(tǒng)就非得在運行過程中用實驗方法測定對象的動態(tài)特性不可。用實驗方法測定對象的動態(tài)特性不可?；谶^程數(shù)據(jù)的實驗建模 機理建模依賴于對被測對象內部物理、化學過程了解程機理建模依賴于對被測對象內部物理、化學過程了解程度（復雜、多為高階非線性方程；參數(shù)相互影響求解難）度（復雜、多為高階非線性方程；參數(shù)相互影響求解難） 做出假設和簡化、理論推導結果須經(jīng)過實驗驗證。做出假設和簡化、理論推導結果須經(jīng)過實驗驗證。系統(tǒng)辨識系統(tǒng)辨識機理建模獲取對象模型的結構形式，通過有目的實驗機理建模獲取對象模型的結構形

4、式，通過有目的實驗測定和數(shù)據(jù)處理，求得模型中各參數(shù)的值。測定和數(shù)據(jù)處理，求得模型中各參數(shù)的值。特點：把被研究的對象視為一個黑匣子，完全從外部特點：把被研究的對象視為一個黑匣子，完全從外部特性上來測試和描述它的動態(tài)特性，不需要深入了解特性上來測試和描述它的動態(tài)特性，不需要深入了解其內部機理其內部機理 。機理建模機理建模+實驗測定實驗測定2022-6-14o 給所要研究的對象人為地輸入一個激勵信號，給所要研究的對象人為地輸入一個激勵信號，然后測取被控對象輸出變量隨時間的變化規(guī)然后測取被控對象輸出變量隨時間的變化規(guī)律，得出一系列的實驗數(shù)據(jù)或曲線來表征一律，得出一系列的實驗數(shù)據(jù)或曲線來表征一定的被控對

5、象特性。定的被控對象特性。o 被控對象的測定方法有很多種，主要區(qū)別在被控對象的測定方法有很多種，主要區(qū)別在于所加入的輸入變量的信號形式。于所加入的輸入變量的信號形式。（1）響應曲線法）響應曲線法（2）脈沖響應法）脈沖響應法（3）頻域分析法）頻域分析法（4）統(tǒng)計分析法）統(tǒng)計分析法基于過程數(shù)據(jù)的實驗建模數(shù)據(jù)處理步驟數(shù)據(jù)處理步驟（1 1）選定模型結構（）選定模型結構（2 2）計算模型參數(shù)）計算模型參數(shù)2022-6-15（1 1）響應曲線法）響應曲線法 用實驗的方法測定對象在階躍輸入作用下，其輸用實驗的方法測定對象在階躍輸入作用下，其輸出量隨時間變化的規(guī)律出量隨時間變化的規(guī)律 。 a.a.t=t0t=

6、t0時刻之前時刻之前: :被控對象處被控對象處于平衡狀態(tài)于平衡狀態(tài); ; b.b.在在t0t0時刻時刻: :加入一階躍輸入，加入一階躍輸入，后又保持不變；后又保持不變； c.c.測量記錄對象輸出量從測量記錄對象輸出量從t0t0時刻時刻起隨時間的變化過程，即階躍響起隨時間的變化過程，即階躍響應（又稱飛升特性）。應（又稱飛升特性）。具體做法：具體做法：基于過程數(shù)據(jù)的實驗建模例：例：2022-6-16如圖顯示了連續(xù)攪拌釜反應器中進料由120kg/min變化到125kg/min引起的溫度T的響應。試利用這些操作條件為該過程確定近似的一階模型。 實際系統(tǒng)中還存在時間延遲現(xiàn)象，輸出完全復現(xiàn)實際系統(tǒng)中還存在

7、時間延遲現(xiàn)象，輸出完全復現(xiàn)輸入，但延遲了時間輸入，但延遲了時間 ，即，即 ( )()oix tx t 此時：此時：( )( )soieXsx s 或：或：( )sG se 001x tt ttx1 tto一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后( )1sKG seTs 2022-6-18o)x()x()y()y(K00一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后( )1sKG seTs 2022-6-19（1 1）響應曲線法）響應曲線法n 實驗過程簡單，數(shù)據(jù)處理過程以階躍響應曲線實驗過程簡單，數(shù)據(jù)處理過程以階躍響應曲線為基礎，是時域分析的首選。為基礎，是時域分析的首選。n 工程實際運用中，階躍輸入有時會使被測對象工程

8、實際運用中，階躍輸入有時會使被測對象的輸出變化超越允許范圍；或受運行條件限制，的輸出變化超越允許范圍；或受運行條件限制，不允許對象的輸出長時間偏離正常值。不允許對象的輸出長時間偏離正常值。采用矩形脈沖信號做激勵采用矩形脈沖信號做激勵基于過程數(shù)據(jù)的實驗建模2022-6-110（2 2）脈沖響應法）脈沖響應法 用實驗的方法測取對象在矩形脈沖輸入信號作用下，用實驗的方法測取對象在矩形脈沖輸入信號作用下，其輸出量隨時間的變化規(guī)律。其輸出量隨時間的變化規(guī)律。o 當對象處于穩(wěn)定工況下，在當對象處于穩(wěn)定工況下，在時刻時刻t0突然加入一階躍輸入突然加入一階躍輸入量，作用一段時間后，在量，作用一段時間后，在t1

9、 時刻再突然撤除該階躍信號，時刻再突然撤除該階躍信號，測出輸出量從測出輸出量從t0時刻起隨時時刻起隨時間的變化規(guī)律，稱為對象的間的變化規(guī)律，稱為對象的矩形脈沖特性。矩形脈沖特性?；谶^程數(shù)據(jù)的實驗建模2022-6-111 矩形脈沖看作是矩形脈沖看作是t0時刻的時刻的正向階躍信號正向階躍信號x0與與t1時刻的時刻的反向階躍信號反向階躍信號-x0的組合信號，那么其響應曲線也就是這的組合信號，那么其響應曲線也就是這兩條階躍響應曲線的合成曲線。兩條階躍響應曲線的合成曲線。矩形脈沖響應曲線矩形脈沖響應曲線 11tttty( )y ( )y () 01ttt11tttty ( )y( )y () 基于過程數(shù)據(jù)的實驗建模2022-6-112脈沖響應法脈沖響應法 由于加在對象上的干擾經(jīng)過一段時間即被除去，由于加在對象上的干擾經(jīng)過一段時間即被除去，因此干擾的幅度可取的較大，以提高實驗的精度；因此干擾的幅度可取的較大，以提高實驗的精度；同時，對象輸出量又不至于長時間地偏離給定值，同時，對象輸出量又不至于長時間地偏離給定值，因而對正常生產影響較小。因而對正常生產影響較小。 響應曲線法是一種比較簡單的對象特性實驗測定響應曲線法是一種比較簡單的對象特性實驗測定方法，但由于實際