化工儀表及自動(dòng)化第2章_第1頁(yè)
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1、化工儀表及自動(dòng)化,第二章 過程特性及其數(shù)學(xué)模型,內(nèi)容提要,化工過程的特點(diǎn)及其描述方法 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立 建模目的 機(jī)理建模 實(shí)驗(yàn)建模 描述對(duì)象特性的參數(shù) 放大系數(shù) 時(shí)間常數(shù) 滯后時(shí)間,1,第一節(jié) 化工過程的特點(diǎn)及其描述方法,自動(dòng)控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象、測(cè)量變送裝置、控制器和執(zhí)行器組成。系統(tǒng)的控制質(zhì)量與被控對(duì)象的特性有密切的關(guān)系。,2,化工自動(dòng)化常用的對(duì)象: 換熱器,精溜塔,流體輸送設(shè)備,化學(xué)反應(yīng)器。 只有充分地了解和熟悉對(duì)象,才能使生產(chǎn)操作得心應(yīng)手,獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效率。 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,必須了解對(duì)象的內(nèi)在規(guī)律,才能根據(jù)工藝對(duì)控制質(zhì)量的要求,設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng),選擇合適的被控變量和操縱變量

2、,選擇合適的測(cè)量元件和控制器。,研究對(duì)象的特性,就是用數(shù)學(xué)的方法來描述出對(duì)象輸入量與輸出量之間的關(guān)系。這種對(duì)象特性的數(shù)學(xué)描述就稱為對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。干擾作用和控制作用都是引起被控變量變化的因素,如下圖所示。,輸出變量輸入變量通道 控制通道干擾通道,幾個(gè)概念,?,圖2-1 對(duì)象的輸入輸出量,一般將被控變量看作對(duì)象的輸出量,也叫輸出變量; 將干擾作用和控制作用看作對(duì)象的輸出入量,也叫輸入變量; 由對(duì)象的輸入變量至輸出變量的信號(hào)聯(lián)系稱之為通道; 控制作用到被控變量的信號(hào)聯(lián)系稱為控制通道; 干擾作用到被控變量的信號(hào)聯(lián)系稱為干擾通道。,第一節(jié) 化工過程的特點(diǎn)及其描述方法,對(duì)象的數(shù)學(xué)模型分為靜態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)

3、態(tài)數(shù)學(xué)模型,3,第一節(jié) 化工過程的特點(diǎn)及其描述方法,一般是在工藝流程和設(shè)備尺寸等都確定的情況,研究對(duì)象的輸入變量是如何影響輸出變量的。,研究的目的是為了使所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)達(dá)到更好的控制效果。,在產(chǎn)品規(guī)格和產(chǎn)量已確定的情況下,通過模型計(jì)算,確定設(shè)備的結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝流程和某些工藝條件。,(a),(b),(c),用于控制的數(shù)學(xué)模型(a、b)與用于工藝設(shè)計(jì)與分析的數(shù)學(xué)模型(c)不完全相同。,4,第一節(jié) 化工過程的特點(diǎn)及其描述方法,數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式分類,5,1.非參量模型,當(dāng)數(shù)學(xué)模型是采用曲線或數(shù)據(jù)表格等來表示時(shí),稱為非參量模型。非參量模型可以通過記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果來得到,有時(shí)也可以通過計(jì)算來得到。,特點(diǎn)

4、,形象、清晰,比較容易看出其定性的特征,缺點(diǎn),直接利用它們來進(jìn)行系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)往往比較困難,表達(dá)形式,對(duì)象在一定形式輸入作用下的輸出曲線或數(shù)據(jù)來表示,第一節(jié) 化工過程的特點(diǎn)及其描述方法,當(dāng)數(shù)學(xué)模型是采用數(shù)學(xué)方程式來描述時(shí),稱為參量模型。對(duì)象的參量模型可以用描述對(duì)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、差分方程等形式來表示。,2.參量模型,6,第一節(jié) 化工過程的特點(diǎn)及其描述方法,7,對(duì)于線性的集中參數(shù)對(duì)象,通常可用常系數(shù)線性微分方程式來描述,如果以x(t)表示輸入量,y(t)表示輸出量,則對(duì)象特性可用下列微分方程式來描述,在允許的范圍內(nèi),多數(shù)化工對(duì)象動(dòng)態(tài)特性可以忽略輸入量的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)

5、可表示為,(2-1),第一節(jié) 化工過程的特點(diǎn)及其描述方法,8,舉例,一個(gè)對(duì)象如果可以用一個(gè)一階微分方程式來描述其特性(通常稱一階對(duì)象),則可表示為,或表示成,式中,(2-2),(2-3),上式中的系數(shù)與對(duì)象的特性有關(guān),一般需要通過對(duì)象的內(nèi)部機(jī)理分析或大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得到。,第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立,一、建模目的,9,(1)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì),(2)控制系統(tǒng)的調(diào)試和控制器參數(shù)的確定,(3)制定工業(yè)過程操作優(yōu)化方案,(4)新型控制方案及控制算法的確定,(5)計(jì)算機(jī)仿真與過程培訓(xùn)系統(tǒng),(6)設(shè)計(jì)工業(yè)過程的故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng),第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立,二、機(jī)理建模,10,根據(jù)對(duì)象或生產(chǎn)過程的內(nèi)部

6、機(jī)理,列寫出各種有關(guān)的平衡方程,如物料平衡方程、能量平衡方程、動(dòng)量平衡方程、相平衡方程以及某些物性方程、設(shè)備的特性方程、化學(xué)反應(yīng)定律、電路基本定律等,從而獲取對(duì)象(或過程)的數(shù)學(xué)模型,這類模型通常稱為機(jī)理模型。,第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立,二、機(jī)理建模,對(duì)于某些對(duì)象,人們還難以寫出它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式,或者表達(dá)式中的某些系數(shù)還難以確定時(shí),不能適用。,11,第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立,舉例,1.一階對(duì)象,(1)水槽對(duì)象,對(duì)象物料蓄存量的變化率 單位時(shí)間流入對(duì)象的物料單位時(shí)間流出對(duì)象的物料,依據(jù),12,第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立,13,(2-4),若變化量很微小,可以近似認(rèn)為Q2與h 成正比,(2-5

7、),將上式代入(2-4)式,移項(xiàng),令,則,轉(zhuǎn)到22頁(yè),圖2-2 水槽對(duì)象,T時(shí)間常數(shù),K放大系數(shù),第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立,14,(2)RC電路,ei若取為輸入?yún)?shù), eo為輸出參數(shù),根據(jù)基爾霍夫定理,消去i,由于,或,圖2-3 RC電路,第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立,2.積分對(duì)象,當(dāng)對(duì)象的輸出參數(shù)與輸入?yún)?shù)對(duì)時(shí)間的積分成比例關(guān)系時(shí),稱為積分對(duì)象。,Q2為常數(shù),變化量為0,說明,所示貯槽具有積分特性。,其中,A為貯槽橫截面積,15,圖2-4 積分對(duì)象,第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立,16,3.二階對(duì)象,(1)串聯(lián)水槽對(duì)象,假定輸入、輸出量變化很小的情況下,貯槽的液位與輸出流量具有線性關(guān)系。,假定每

8、只貯槽的截面積都為A,則,轉(zhuǎn)到26頁(yè),圖2-5 串聯(lián)水槽對(duì)象,第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立,消去Q12、Q2、h1,整理得,式中 為第一只貯槽的時(shí)間常數(shù); 為第二只貯槽的時(shí)間常數(shù); 為整個(gè)對(duì)象的放大系數(shù)。,17,第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立,18,(2)RC串聯(lián)電路,根據(jù)基爾霍夫定律,整理得,圖2-6 RC串聯(lián)電路,第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立,三、實(shí)驗(yàn)建模,19,對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)取法,就是在所要研究的對(duì)象上,加上一個(gè)人為的輸入作用(輸入量),然后,用儀表測(cè)取并記錄表征對(duì)象特性的物理量(輸出量)隨時(shí)間變化的規(guī)律,得到一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(或曲線)。這些數(shù)據(jù)或曲線就可以用來表示對(duì)象的特性。,第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)

9、模型的建立,三、實(shí)驗(yàn)建模,定義:通過這種應(yīng)用對(duì)象的輸入輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來決定其模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù),通常稱為系統(tǒng)辨識(shí) 。,特點(diǎn):把被研究的對(duì)象視為一個(gè)黑匣子,完全從外部特性上來測(cè)試和描述它的動(dòng)態(tài)特性,不需要深入了解其內(nèi)部機(jī)理。對(duì)于一些復(fù)雜的對(duì)象,實(shí)驗(yàn)建模比機(jī)理建模要簡(jiǎn)單和省力。,系統(tǒng)辨識(shí),20,第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立,21,實(shí)驗(yàn)性能的測(cè)試方法,1. 階躍反應(yīng)曲線法,用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)取對(duì)象在階躍輸入作用下,輸出量y隨時(shí)間的變化規(guī)律。,圖2-7 簡(jiǎn)單水槽對(duì)象,圖2-8 水槽的階躍反應(yīng)曲線,簡(jiǎn)單水槽的動(dòng)態(tài)特性,舉例,第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立,22,2. 矩形脈沖法,當(dāng)對(duì)象處于穩(wěn)定工況下,在時(shí)間t0突然

10、加一階躍干擾,幅值為A,到t1時(shí)突然除去階躍干擾,這時(shí)測(cè)得的輸出量y隨時(shí)間的變化規(guī)律,稱為對(duì)象的矩形脈沖特性,而這種形式的干擾稱為矩形脈沖干擾。,圖2-9 矩形脈沖特性曲線,特點(diǎn): 由于加在對(duì)象上的干擾,經(jīng)過一段時(shí)間后即除去,因此干擾的幅值可取得比較大,以提高實(shí)驗(yàn)精度,對(duì)象的輸出量不至于長(zhǎng)時(shí)間偏離給定值,對(duì)正常生產(chǎn)影響較小。,此外,還可以采用矩形脈沖波和正弦信號(hào)。,圖2-10 矩形脈沖波信號(hào),圖2-11 正弦信號(hào),第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立,混合建模,23,先由機(jī)理分析的方法提供數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)形式,然后對(duì)其中某些未知的或不確定的參數(shù)利用實(shí)測(cè)的方法給予確定。,這種在已知模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過實(shí)測(cè)

11、數(shù)據(jù)來確定其中的某些參數(shù),稱為參數(shù)估計(jì)。,舉例,以換熱器建模為例,可以先列寫出其熱量平衡方程式,而其中的換熱系數(shù)K值等可以通過實(shí)測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定。,途徑,第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),一、放大系數(shù)K,對(duì)于前面介紹的水槽對(duì)象,當(dāng)流入流量Q1有一定的階躍變化后,液位h也會(huì)有相應(yīng)的變化,但最后會(huì)穩(wěn)定在某一數(shù)值上。如果我們將流量Q1的變化Q1看作對(duì)象的輸入,而液位h的變化h看作對(duì)象的輸出,那么在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),對(duì)象一定的輸入就對(duì)應(yīng)著一定的輸出,這種特性稱為對(duì)象的靜態(tài)特性。,24,放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)、滯后時(shí)間,第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),25,圖2-12 水槽液位的變化曲線,或,K在數(shù)值上等于對(duì)象重新穩(wěn)定后

12、的輸出變化量與輸入變化量之比。K越大,就表示對(duì)象的輸入量有一定變化時(shí),對(duì)輸出量的影響越大,即被控變量對(duì)這個(gè)量的變化越靈敏。,第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),26,舉例,以合成氨的轉(zhuǎn)換爐為例,說明各個(gè)量的變化對(duì)被控變量K的影響,圖2-13 一氧化碳變換過程示意圖,圖2-14 不同輸入作用時(shí)的被控變量變化曲線,1.冷激量 2.蒸汽量 3.半水煤氣量,變換爐的作用是一氧化碳和水蒸氣在觸媒存在的條件下發(fā)生作用,生產(chǎn)氫氣和二氧化碳。,生產(chǎn)過程要求一氧化碳的轉(zhuǎn)化率要高,蒸汽消耗量要少,觸媒壽命要長(zhǎng)。通常用變換爐一段反應(yīng)溫度作為被控變量,來間接地控制轉(zhuǎn)換率和其他指標(biāo)。,第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),影響變換爐一段

13、反應(yīng)溫度的因素主要有冷激流量、蒸汽流量和半水煤氣流量。改變閥門1、2、3的開度就可以分別改變冷激量、蒸汽量和半水煤氣量的大小。從右上圖看出,冷激量對(duì)溫度的相對(duì)放大系數(shù)最大;蒸汽量對(duì)溫度的相對(duì)放大系數(shù)次之;半水煤氣量對(duì)溫度的相對(duì)放大系數(shù)最小。,27,第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),二、時(shí)間常數(shù)T,28,從大量的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),有的對(duì)象受到干擾后,被控變量變化很快,較迅速地達(dá)到了穩(wěn)定值;有的對(duì)象在受到干擾后,慣性很大,被控變量要經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。,圖1-15 不同時(shí)間常數(shù)對(duì)象的反應(yīng)曲線,液位,溫度,(a)截面積大的水槽當(dāng)進(jìn)口流量改變時(shí),液位變化慢; (b)直接蒸汽加熱的反應(yīng)器比夾套蒸汽加

14、熱反應(yīng)器溫度變化快。,第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),29,第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),30,舉例,簡(jiǎn)單水槽為例,由前面的推導(dǎo)可知,假定Q1為階躍作用,t0或t=0時(shí)Q1=A,如左圖。,則函數(shù)表達(dá)式為,(2-33),圖2-16 反應(yīng)曲線,第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),從上頁(yè)圖反應(yīng)曲線可以看出,對(duì)象受到階躍作用后,被控變量就發(fā)生變化,當(dāng)t時(shí),被控變量不再變化而達(dá)到了新的穩(wěn)態(tài)值h(),這時(shí)上式可得:,或,對(duì)于簡(jiǎn)單水槽對(duì)象,K=RS,即放大系數(shù)只與出水閥的阻力有關(guān),當(dāng)閥的開度一定時(shí),放大系數(shù)就是一個(gè)常數(shù)。,(2-34),31,第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),32,將 t=T 代入式(2-33),得,(2-35

15、),將式(2-34)代入式(2-35),得,(2-36),當(dāng)對(duì)象受到階躍輸入后,被控變量達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2所需的時(shí)間,就是時(shí)間常數(shù)T,實(shí)際工作中,常用這種方法求取時(shí)間常數(shù)。顯然,時(shí)間常數(shù)越大,被控變量的變化也越慢,達(dá)到新的穩(wěn)定值所需的時(shí)間也越大。,第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),圖2-17 不同時(shí)間常數(shù)下的反應(yīng)曲線,T1T2T3T4,說明 時(shí)間常數(shù)大的對(duì)象(如T4) 對(duì)輸入的反應(yīng)較慢, 一般認(rèn)為慣性較大。,33,第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),34,在輸入作用加入的瞬間,液位h的變化速度是多大呢?,將式(2-33)對(duì) t 求導(dǎo),得,(2-37),當(dāng) t =0,(2-38),當(dāng) t 時(shí),式(2-3

16、7)可得,(2-39),第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),圖2-18 時(shí)間常數(shù)T的求法,由左下圖所示,式(2-38)代表了曲線在起始點(diǎn)時(shí)切線的斜率,這條切線在新的穩(wěn)定值h()上截得的一段時(shí)間正好等于T。,由式(2-33),當(dāng) t =時(shí),h = KA。當(dāng) t=3T時(shí),代入式(2-33)得,(2-40),從加入輸入作用后,經(jīng)過3T時(shí)間,液位已經(jīng)變化了全部變化范圍的95,這時(shí),可以近似地認(rèn)為動(dòng)態(tài)過程基本結(jié)束。所以,時(shí)間常數(shù)T是表示在輸入作用下,被控變量完成其變化過程所需要的時(shí)間的一個(gè)重要參數(shù)。,結(jié) 論,35,第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),三、滯后時(shí)間,定義,分類,對(duì)象在受到輸入作用后,被控變量卻不能立即而迅

17、速地變化,這種現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。,滯 后 性 質(zhì),傳遞滯后,容量滯后或過渡滯后,傳遞滯后又叫純滯后,一般用0表示。0的產(chǎn)生一般是由于介質(zhì)的輸送需要一段時(shí)間而引起的。,對(duì)象在受到階躍輸入作用x后,被控變量y開始變化很慢,后來才逐漸加快,最后又變慢直至逐漸接近穩(wěn)定值。,36,第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),37,1. 傳遞滯后,顯然,純滯后時(shí)間0與皮帶輸送機(jī)的傳送速度v和傳送距離L有如下關(guān)系:,(2-41),溶解槽及其反應(yīng)曲線,純滯后時(shí)間,舉例,第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),從測(cè)量方面來說,由于測(cè)量點(diǎn)選擇不當(dāng)、測(cè)量元件安裝不合適等原因也會(huì)造成傳遞滯后。,蒸汽直接加熱器,當(dāng)加熱蒸汽量增大時(shí),槽內(nèi)溫度升高,

18、然而槽內(nèi)溶液流到管道測(cè)溫點(diǎn)處還要經(jīng)過一段時(shí)間0。所以,相對(duì)于蒸汽流量變化的時(shí)刻,實(shí)際測(cè)得的溶液溫度T要經(jīng)過時(shí)間0后才開始變化。,注意:安裝成分分析儀器時(shí),取樣管線太長(zhǎng),取樣點(diǎn)安裝離設(shè)備太遠(yuǎn),都會(huì)引起較大的純滯后時(shí)間,工作中要盡量避免。,38,39,圖2-21 有、無純滯后的一階階躍響應(yīng)曲線,x為輸入量,y(t)、 y(t)分別為無、有純滯后時(shí)的輸出量時(shí),或,若無純滯后的對(duì)象特性可以用下述方程式描述,(2-44),則有純滯后的對(duì)象特性可以用下述方程式描述,(2-45),第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),40,一般是由于物料或能量的傳遞需要通過一定阻力而引起的。如P32圖2-22,舉例,前面介紹過的兩個(gè)水槽串聯(lián)的二階對(duì)象,將輸出量h2用y表示,輸入量Q1用x表示,則方程式可寫為,假定輸入作用為階躍函數(shù),其幅值為A。已知,二階常系數(shù)微分方程式的解是,(2-46),2. 容量滯后,(2-47),為對(duì)應(yīng)的齊次方程式的通解;,為非齊次方程的一個(gè)特解。,第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù),由于對(duì)應(yīng)的齊次方程式為,其特征方程為,求得特征根為,故齊次方程式的通解為,式中,C1、C2為決定于初始條件的待定系數(shù)。,(2-48),(2-49),(

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