化工儀表及自動化：chap12 被控對象動態(tài)特性

1、第十二章 被控對象動態(tài)特性 第一節(jié) 對象特性及描述方法 第二節(jié) 描述對象特性的參數(shù)第一節(jié) 對象特性及描述方法 一、對象特性 二、對象特性的描述方法一、對象特性被控對象 被控制的（需要控制的）工藝生產(chǎn)設(shè)備。 流體輸送設(shè)備：泵、壓縮機；傳熱設(shè)備：換熱器、加熱爐、鍋爐；傳質(zhì)設(shè)備：精餾塔、反應(yīng)器； 一、對象特性被控對象分別是什么？一、對象特性對象特性：被控對象的輸出量隨輸入量及時間而變化的特性；輸出量：被控變量；操縱變量被控變量干擾被控對象輸入量：操縱變量、干擾；控制通道：操縱變量與被控變量之間的信號聯(lián)系；干擾通道：干擾與被控變量之間的信號聯(lián)系；一、對象特性操縱變量被控變量干擾被控對象控制方案取決于對

2、象特性；控制器參數(shù)的選擇取決于對象特性；第一節(jié) 對象特性及描述方法 一、對象特性 二、對象特性的描述方法一、對象特性的描述方法機理模型：從機理出發(fā)，即從對象內(nèi)在的物理和化學規(guī)律出發(fā)， 建立描述過程輸入、輸出特性的數(shù)學模型。 實測(經(jīng)驗)模型：可以通過實驗測試或依據(jù)積累的操作數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)，通過數(shù)學回歸方法進行處理，建立輸出和輸入之間的數(shù)學模型。 混合模型：通過機理分析，得出模型的結(jié)構(gòu)或函數(shù)形式，而對其中的部分參數(shù)通過實測得到。一、對象特性的描述方法1、機理模型 根據(jù)生產(chǎn)過程的內(nèi)在機理，寫出各種有關(guān)的平衡方程； 對復(fù)雜對象的機理法建模需要進行合理的假設(shè)與簡化。 推導出代表對象動態(tài)特

3、性的微分方程；物料平衡方程；能量平衡方程；動量平衡方程；相平衡方程系統(tǒng)內(nèi)物料（或能量）蓄藏量的變化率 = 單位時間內(nèi)進入系統(tǒng)的物料量（或能量）- 單位時間內(nèi)由系統(tǒng)流出的物料量（或能量）+ 單位時間內(nèi)系統(tǒng)產(chǎn)生的物料量（或能量）一、對象特性的描述方法1、機理模型明確：被控對象； 被控變量； 操縱變量； 控制通道；儲槽液位控制Q1Q2一、對象特性的描述方法1、機理模型建模：建立被控對象的輸出與操縱變量之間的關(guān)系；h ( t ) = f ( Q1, t )依據(jù)：物料平衡對象物料蓄存量的變化率單位時間流入對象的物料單位時間流出對象的物料一、對象特性的描述方法1、機理模型對象物料蓄存量的變化率 單位時間流

4、入對象的物料 單位時間流出對象的物料在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的靜態(tài)方程是：V：儲槽內(nèi)液體體積A：儲槽截面積一、對象特性的描述方法1、機理模型在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的靜態(tài)方程是：閥門2的流出系數(shù)，與閥的開度有關(guān)；液罐對象的動態(tài)數(shù)學模型，是一個非線性微分方程。 一、對象特性的描述方法1、機理模型在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的靜態(tài)方程是： 若液位始終在其穩(wěn)態(tài)值附近很小范圍內(nèi)變化，則可將非線性微分方程轉(zhuǎn)換為線性微分方程。線性化方法：將非線性項進行泰勒級數(shù)展開，并取線性部分。注意：只在某一穩(wěn)態(tài)點附近小范圍內(nèi)有效。一、對象特性的描述方法1、機理模型在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的靜態(tài)方程是：以增量形式（表示）表示各變量偏離起始穩(wěn)態(tài)值的程度，即：

5、R2流出閥的阻力系數(shù)， 與h0有關(guān)。 一、對象特性的描述方法1、機理模型在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的靜態(tài)方程是：R2流出閥的阻力系數(shù)， 與h0有關(guān)。 一、對象特性的描述方法1、機理模型T：時間常數(shù)；K：放大系數(shù)； 它著眼于量的變化，表示了穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)附近儲槽液位h與輸入Q1間滿足的關(guān)系。 一般情況下，增量符號省略。 一階常系數(shù)微分方程，也稱一階對象 一、對象特性的描述方法2、測試模型用機理法建模要求對生產(chǎn)過程的機理充分掌握；許多對象的特性很復(fù)雜，很難通過內(nèi)在機理分析直接得到描述對象特性的數(shù)學模型；測試法建模：通過對生產(chǎn)過程施加某種輸入激勵信號，根據(jù)實驗得到的輸入和輸出數(shù)據(jù),進行某種數(shù)學處理后得到的模型。

6、幾個概念 系統(tǒng)辨識 參數(shù)估計 測試信號測試信號的不同 階躍響應(yīng)曲線 矩形脈沖特性曲線 頻率特性一、對象特性的描述方法2、測試模型階躍響應(yīng)曲線法：對被控對象施加階躍輸入，測取對象輸出隨時間變化曲線，然后用數(shù)學方法對曲線進行處理，得到描述對象特性的參數(shù)。Q1tB0t0ht0開大閥1；測得B；記錄h。自衡性：自發(fā)趨于新的平衡狀態(tài)第十二章 被控對象動態(tài)特性 第一節(jié) 對象特性及描述方法 第二節(jié) 描述對象特性的參數(shù)第二節(jié) 描述對象特性的參數(shù) 一、放大系數(shù)K 二、時間常數(shù)T 三、純滯后時間 對象特性可以由數(shù)學模型來描述，從數(shù)學模型中提取一些參數(shù)來表征對象輸出和輸入之間的變化關(guān)系，如放大系數(shù)、時間常數(shù)、純滯后

7、時間。T：時間常數(shù)；K：放大系數(shù)；Q1t0t0ht0Q1hs對階躍變化的輸入，則有：一、放大系數(shù)KQ1t0t0ht0Q1hs(1)在數(shù)值上等于對象處于穩(wěn)定狀態(tài)時輸出變化量與輸入變化量之比；(2)放大系數(shù)是描述對象靜態(tài)特性的參數(shù)。所以又稱為靜態(tài)增益。(3)放大系數(shù)愈大，表示控制作用愈靈敏。但放大系數(shù)太大，會使操縱變量對被控變量的影響過強，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。一、放大系數(shù)K注：K有正有負第二節(jié) 描述對象特性的參數(shù) 一、放大系數(shù)K 二、時間常數(shù)T 三、純滯后時間二、時間常數(shù)TQ1t0t0hTQ1hs當t=T，則有63.2%hs時間常數(shù)T：當對象受到階躍輸入作用后，輸出達到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2所需的時

8、間。 二、時間常數(shù)TQ1t0t0hTQ1hs63.2%hs時間常數(shù)T：當對象受到階躍輸入作用后，輸出達到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2所需的時間。 R2：流出閥的阻力系數(shù)，與h0有關(guān)。 A：儲槽截面積A越大，T越大 T也稱容量滯后。二、時間常數(shù)TQ1t0t0hQ1時間常數(shù)T：當對象受到階躍輸入作用后，輸出達到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2所需的時間。 123T1T2T3 時間常數(shù)是動態(tài)參數(shù)，用來表征被控變量變化快慢的程度。 也稱容量滯后。第二節(jié) 描述對象特性的參數(shù) 一、放大系數(shù)K 二、時間常數(shù)T 三、純滯后時間三、純滯后時間 溶液濃度的改變比加料量的改變落后一個由料斗到加料口的傳輸時間，這種現(xiàn)象稱為純滯后，落后的

9、時間稱為純滯后時間 。 操縱變量（輸入）：加料量 被控變量（輸出）：溶液溶度 被控對象：溶解槽LL：溶質(zhì)傳輸?shù)木嚯x；v：溶質(zhì)傳輸?shù)乃俣?。描述對象動態(tài)特性的參數(shù)純滯后時間：反映了對象的輸出改變落后于輸入改變的時間，動態(tài)特性參數(shù)。放大系數(shù)K：反映了兩個穩(wěn)態(tài)之間輸出變化量與輸入變化量之間的比值關(guān)系，靜態(tài)特性參數(shù)；時間常數(shù)T（容量滯后）：反映了輸出變化速度，動態(tài)特性參數(shù)。Q1t0t0hTQ1hs63.2%hs 自動控制系統(tǒng)中，滯后的存在是不利于控制的。所以，在設(shè)計和安裝控制系統(tǒng)時，都應(yīng)當盡量把滯后時間減到最小。 注意常見被控對象的特性參數(shù)只差一段管子，幾乎立刻變化。操縱變量（輸入）：泵出口流量（后）被控變量（輸出）：泵出口流量（前）被控對象：泵出口管道1、流量對象2、壓力對象T、都很小操縱變量（輸入）：霧化蒸汽流量被控變量（輸出）：霧化蒸汽壓力被控對象：霧化蒸汽管道常見被控對象的特性參數(shù)2、壓力對象T跟氣罐容積有關(guān)，很小操縱變量（輸入）：氣罐出口流量被控變量（輸出）：氣罐壓力被控對象：氣罐3、液位對象T跟液罐容積有關(guān)，很小操縱變量（輸入）：液罐入口流量被控變量（輸出）：液位被控對象：液罐常見被控對象的特性參數(shù)4、溫度對象T很大，很大，約為數(shù)分