調(diào)節(jié)對象特性

調(diào)節(jié)對象特性第1頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月對象特性:對象的內(nèi)在規(guī)律。第一節(jié)生產(chǎn)過程的特點及其描述方法生產(chǎn)對象的特點:大,復(fù)雜,時間常數(shù)大.滯后大,具有非線性分布參數(shù)和時變特性,建模困難。研究對象特性:用數(shù)學(xué)的方法描述對象的輸入量與輸出量之間的函數(shù)關(guān)系,即數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型分靜態(tài)數(shù)學(xué)模型和動態(tài)數(shù)學(xué)模型。靜態(tài)數(shù)模:描述對象在靜態(tài)時的輸入量與輸出量之間的關(guān)系;動態(tài)數(shù)模:描述對象在輸入量改變后輸出量變化情況。第2頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月被控對象的特性對控制質(zhì)量的影響很大,是確定控制方案的主要依據(jù);只有先了解對象的特性,即內(nèi)在規(guī)律,才能根據(jù)工藝對控制質(zhì)量的要求,設(shè)計合理的控制系統(tǒng),選擇合適的被控變量和操縱變量、選擇合適的測量元件及控制器。

第一節(jié)生產(chǎn)過程的特點及其描述方法第3頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月輸入量:干擾和控制作用看作對象的輸入量。輸出量:被控變量看作對象的輸出量。通道:由對象的輸入變量至輸出變量的信號聯(lián)系。(通道不同,特性不同)控制通道:控制作用至被控變量的信號聯(lián)系。

干擾通道:干擾作用至被控變量的信號聯(lián)系。

控制作用被控變量干擾作用輸入量輸出量通道第一節(jié)生產(chǎn)過程的特點及其描述方法第4頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月相同之處:基于同樣的物理和化學(xué)規(guī)律,原始方程可能相同。區(qū)別:控制的數(shù)學(xué)模型是在工藝流程和設(shè)備尺寸等確定下,研究對象的輸入變量如何影響輸出變量的,研究目的是使所設(shè)計的控制系統(tǒng)達到更好的控制效果。工藝的數(shù)學(xué)模型(一般是靜態(tài))是在產(chǎn)品規(guī)格和產(chǎn)量確定下,通過模型計算,來確定設(shè)備的結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝流程和某些工藝條件,以達到最好的經(jīng)濟效益。用于控制和用于工藝的數(shù)學(xué)模型二者的關(guān)系第一節(jié)生產(chǎn)過程的特點及其描述方法第5頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月非參量模型:描述對象在受到控制作用或干擾作用后被控變量的變化規(guī)律,用曲線或數(shù)據(jù)表格等來表示的。特點:形象.清晰,較容易看出其定性的特征。根據(jù)輸入形式的不同,主要有:階躍反應(yīng)曲線、脈沖反應(yīng)曲線、矩形脈沖反應(yīng)曲線。數(shù)學(xué)模型的主要形式:非參量模型和參量模型第一節(jié)生產(chǎn)過程的特點及其描述方法第6頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月參量模型:用數(shù)學(xué)方程式來表示的。用描述對象輸入.輸出關(guān)系的微分方程式.偏微分方程式.狀態(tài)方程式等來表示。對線性的集中參數(shù)對象,用常系數(shù)線性微分方程來描述：

any(n)(t)+an-1y(n-1)(t)+…+a1y’(t)+a0y(t)=x(t)數(shù)學(xué)模型的主要形式:非參量模型和參量模型第一節(jié)生產(chǎn)過程的特點及其描述方法第7頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)、對象數(shù)學(xué)模型的建立一、建模目的(1).控制系統(tǒng)的方案設(shè)計:深入和全面了解對象特性,是設(shè)計控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。(2).控制系統(tǒng)的調(diào)試和控制器參數(shù)的確定:為了控制系統(tǒng)安全投運并進行必要的調(diào)試,必須了解被控對象的特性。(3).制定工業(yè)過程操作優(yōu)化方案:操作優(yōu)化在不增加投資的情況下,獲得可觀的經(jīng)濟效益。(4).新型控制方案及控制算法的確定:用計算機構(gòu)成新型控制系統(tǒng)時,離不開被控對象的數(shù)學(xué)模型。(5).計算機仿真與過程培訓(xùn)系統(tǒng):用仿真技術(shù),使操作人員在計算機上模仿實際的操作,安全.高效地培訓(xùn)工作人員。(6).設(shè)計工業(yè)過程的故障檢測與診斷系統(tǒng):利用開發(fā)的數(shù)學(xué)模型可及時發(fā)現(xiàn)工作過程中控制系統(tǒng)的故障及其原因,并提供正確的解決途徑。第8頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)被研究對象或生產(chǎn)過程的內(nèi)部機理,寫出各種有關(guān)平衡方程,如物料平衡方程.能量平衡方程.動量平衡方程及化學(xué)反應(yīng)規(guī)律.電路基本定律等,獲得對象的數(shù)學(xué)模型。機理建模的方法：1.一階對象:用一階微分方程式描述對象,為一階對象。二、機理建模第二節(jié)、對象數(shù)學(xué)模型的建立第9頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月(1).水槽對象:輸入量Q1;輸出量h;水槽底面積A;閥門2的阻力系數(shù)RS;Q2=h/RS。12靜態(tài)時:Q1=Q2,系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),即h不變。是一階常系數(shù)微分方程。動態(tài)時:Q1≠Q(mào)2,則h變化。設(shè)Q1.

Q2.h為偏離初始平衡狀態(tài)的變化值。根據(jù)物料平衡的原則:Q1dt=Adh＋Q2dt令T=RSAT:時間常數(shù);K=RS:放大系數(shù)。第10頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月是一階常系數(shù)微分方程。

(2).RC電路:輸入量ei,輸出量eo。根據(jù)基爾霍夫定律有：消去中間變量i得：令T=RC,則有：第11頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月具有積分特性。2.積分對象積分對象:對象的輸出量與輸入量的積分成比例關(guān)系。如圖液體貯槽,Q2為常數(shù)。則：Q1dt=AdhQ1Q2第12頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月輸入量Q1,輸出量h2;閥門1的阻力系數(shù)R1,Q12=h1/R1;閥門2的阻力系數(shù)R2,Q2=h2/R2

。3.二階對象動態(tài)特性用二階微分方程來描述的對象。根據(jù)物料平衡的原則:Q1dt=Adh1+Q12dt,Q12dt=Adh2+Q2dt(1).串聯(lián)水槽對象1212其中h1.Q12.Q2為中間變量。第13頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)T1=AR1,T2=AR2,K=R2

K整個對象的放大系數(shù)。(1).串聯(lián)水槽對象1212上式是二階常系數(shù)微分方程。第14頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月i1i2eieo(2).RC串聯(lián)電路根據(jù)基爾霍夫定律有：消去中間變量i1.i2,得：第15頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月把被控對象看作一個黑箱,通過施加不同的輸入信號,研究對象的輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系,估計出系統(tǒng)的參數(shù)和數(shù)學(xué)模型,亦稱為系統(tǒng)辨識方法或黑箱方法。黑箱X1Xm輸入信號…….Y1…..輸出信號Ym三.實驗建模實驗建模不需要深入了解對象的內(nèi)部機理。對復(fù)雜的對象,實驗建模比機理建模要簡單和省力。第16頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月對象特性的實驗測取法:在對象上加一個輸入量后,用儀表測取并記錄表證對象輸出量隨時間變化的規(guī)律,得到一系列實驗數(shù)據(jù)(或曲線),對這些數(shù)據(jù)或曲線再加以必要的數(shù)據(jù)處理,使之轉(zhuǎn)化為描述對象特性的數(shù)學(xué)模型。對象在階躍輸入作用下,用實驗的方法測取輸出量隨時間變化的規(guī)律。實驗測取法按加輸入信號的形式不同來分：1.階躍反映曲線法三.實驗建模第17頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月特點:容易測試對象的動態(tài)特性,

精度不高。為了提高精度,加大輸入,但影響正常工作,所加輸入量不超過額定值的5%-10%。1.階躍反映曲線法第18頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月加一個矩形干擾,測輸出量隨時間變化規(guī)律。2.矩形脈沖法是常用的方法之一。3.周期擾動法:給對象加入周期性信號,如正弦波等。它對工藝生產(chǎn)影響小,測試精度高,數(shù)據(jù)處理簡單直觀;但需有復(fù)雜的正弦信號發(fā)生器,測試工作量大。特點:干擾可較大,可提高實驗精度,且時間短對生產(chǎn)影響小。第19頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.統(tǒng)計相關(guān)法:在生產(chǎn)正常情況下,直接利用運行記錄的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,建立數(shù)學(xué)模型,獲取對象的特性參數(shù)。由于生產(chǎn)正常進行時數(shù)據(jù)波動不大,統(tǒng)計分析的精度不高。以上幾種方法,是在對象上加干擾作用(干擾量小.時間短),得到對象的動態(tài)特性的。機理建模和實驗建模各有特點。三.實驗建模第20頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月混合建模:將機理建模和實驗建模兩者結(jié)合起來,稱為混合建模。參數(shù)估計:在已知模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過實測數(shù)據(jù)來確定其中的某些參數(shù),稱為參數(shù)估計。混合建模過程:先由機理分析的方法得到數(shù)學(xué)模型,然后對未知或不確定的參數(shù)利用實測的方法加以確定。三.實驗建模第21頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月通過實驗獲得對象的動態(tài)特性的注意事項：(1).加測試信號前,對象的輸入量和輸出量應(yīng)盡可能穩(wěn)定一段時間,否則影響測量結(jié)果的精度。(2).在反應(yīng)曲線的起始點,對象輸出量未開始變化,而輸入量則開始作階躍變化。用秒表測取從施加輸入作用的時刻到輸出量開始變化的時間。(3).為保證測試精度,排除干擾影響,測試曲線應(yīng)是平滑無突變的。(4).加測試信號后,注意各干擾與被控量的變化盡可能把與測試無關(guān)的干擾排除,被控量的變化應(yīng)在工藝允許范圍內(nèi),一旦有異常,及時處理。(5).測試和記錄工作應(yīng)該持續(xù)到輸出量達到新穩(wěn)態(tài)值為止。(6).在反應(yīng)曲線測試工作中,要注意工作點的選取。第22頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)描述對象特性的參數(shù)在階躍信號作用下,對象特性可用數(shù)學(xué)模型描述,但實際,用下面三個物理量描述對象特性。稱對象的特性參數(shù)。一、放大系數(shù)(K)1.定義:對象重新穩(wěn)定后,輸出變化量與輸入變化量的比值。靜態(tài)特性:在靜態(tài)(穩(wěn)定狀態(tài))時,一定的輸入對應(yīng)著一定的輸出。第23頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制系統(tǒng)中,K越大,對輸出量的影響越大,被控變量對這個量的變化就越靈敏。一、放大系數(shù)(K)達到新穩(wěn)態(tài)后,一定的ΔQ1對應(yīng)著一定的Δh。K:Δh與ΔQ1值比。即2.放大系數(shù)的物理意義不隨時間變化的,是對象的靜態(tài)特性。第24頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.放大系數(shù)的物理意義變換爐一段反應(yīng)溫度的變化情況如下圖：在控制過程中,當(dāng)有幾種控制手段時,應(yīng)選K大的操縱量,因為K大,控制作用強。第25頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.物理意義:T越大,對象受干擾后,被控變量變化越慢,到達新的穩(wěn)態(tài)值所需的時間越長。二、時間常數(shù)（T）定義:對象受到干擾后,被控變量達到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。(a)(b)Q1Q1第26頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月Q1Q1(c)(d)在相同的控制作用下,時間常數(shù)大,則被控量的變化比較緩慢,這種過程比較穩(wěn)定,容易控制,但控制過程緩慢。二、時間常數(shù)（T）2.物理意義第27頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)Q1(=A)為階躍作用,解微分方程得：3.一階對象K和T的求法以水槽為例,已知方程：t=∞時,上式得:h(∞)=KA,即K=h(∞)/A。K是對象靜態(tài)特性。第28頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月理論上,t=∞時,達到穩(wěn)態(tài)值;但t=3T時,就近似地達到穩(wěn)態(tài)值。3.一階對象K和T的求法將t=T代入式中,得:當(dāng)t=3T時,第29頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月T4>T3>T2>T1,對象的時間常數(shù)越大,對輸入的反應(yīng)越慢,慣性越大,達到穩(wěn)定時所需時間長。3.一階對象K和T的求法第30頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月1.滯后現(xiàn)象三、滯后時間有的對象,受到輸入作用后,迅速作出響應(yīng);而有的對象,受到輸入作用后,不能立即響應(yīng)。滯后現(xiàn)象:輸入作用后,被控變量不能立即而迅速地變化的現(xiàn)象。滯后分為傳遞滯后和容量滯后。2.傳遞滯后傳遞滯后又叫純滯后,純滯后時間(てo)的產(chǎn)生是由于介質(zhì)的輸送需要一段時間而引起的。第31頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月純滯后時間(てo)與皮帶輸送機的傳送速度V和傳送距離L的關(guān)系。2.傳遞滯后輸入量輸出量第32頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)q變化時,實測溫度T要經(jīng)過てo后才變化。造成傳遞滯后的原因:從測量方面來說,由于測量點選擇不當(dāng)、測量元件安裝不合適等。實際工作中,要避免因儀器的取樣管線太長,取樣點太遠等原因引起的較大純滯后時間。2.傳遞滯后q輸入量T輸出量第33頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月無純滯后的對象特性方程yζ(t)=0y(t-ζ)t>ζt≤ζy

(t)=yζ(t+ζ)t>0t≤0yζ(t+ζ)=0x為輸入量,y(t)為無純滯后時輸出量,yζ(t)為有純滯后時輸出量。有純滯后的對象特性方程2.傳遞滯后第34頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月定義