《 过程控制系统 》 第二章 过程动态特性建模与分析

1. 《过程控制系统》第二章过程动态特性建模与分析《过程控制系统》第二章过程动态特性建模与分析

2. 概要 • 第一章部分内容复习 • 简单被控过程的机理建模方法 • 广义对象的概念及其阶跃（或方波）测试建模法

3. 控制系统的基本组成 期望值 控制器 末端 执行器 传感器 过程 输入 输出

4. 液位控制反馈控制

5. 液位控制系统的方块图 问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？

6. 一般的单回路控制系统 被控变量：温度(T)、压力(P)、流量(F)、液位或料位(L)、成分与物性等六大参数。

7. 方块图的注意事项 正确的画法 不正确的画法

8. 被控对象动态建模方法 • 机理建模 原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。 特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。 • 测试建模 原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。 特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。

9. 机理建模的步骤 • 根据建模的对象和模型使用的目的进行合理的假设 ； • 根据过程的内在机理建立数学方程； • 进行自由度分析，保证模型有解； • 简化模型。

10. 对象机理建模举例#1（p. 28） • 物料平衡方程： • 流体运动方程：

11. 对象机理建模举例#1(续) 线性化：

12. 一阶过程的描述 • 一阶过程通常的描述方式为： 过程增益K 时间常数T

13. #1举例的simulink仿真 无振荡的自衡过程 K反映了输出变化的幅度

14. #1举例的simulink仿真（续） 时间常数T反映了输出变化的快慢

15. 工程中常见的一阶对象

16. 对象机理建模举例#2 • 物料平衡方程： • 流体运动方程：

17. #2举例的simulink仿真 无振荡的自衡过程

18. 高阶过程

19. 工程上常见的二阶过程

20. 机理建模举例#3 物料平衡方程： 无振荡的非自衡过程

21. 工业过程控制对象的特点 • 除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象； • 对象动态特性存在不同程度的纯迟延； • 对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流量对象外的被调量的变化相对缓慢； • 被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。

22. SimuLink的使用介绍 • 熟悉与掌握系统所提供的SimuLink常用模块，如输入信号、输出显示、传递函数模块、常用数学函数等； • 掌握SimuLink运行数据与Matlab数据平台的联结，以及Matlab常用的作图方法； • 掌握子系统的封装技术；

23. 气动调节阀的结构 u(t)：控制器输出 ( 4~20 mA 或 0~10 mA DC)； pc ：调节阀气动控制信号； l：阀杆相对位置； f ：相对流通面积； q ：受调节阀影响的管路相对流量。

24. 阀门的“气开”与“气关” 1. 气开阀与气关阀 * 气开阀： pc↑→ f↑ (“有气则开”) * 气关阀： pc↑→ f↓ (“有气则关”) 无气源( pc = 0 )时，气开阀全关，气关阀全开。 2. 气开阀与气关阀的选择原则 * 若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。

25. 调节阀的气开气关选择

26. 调节阀的理想流量特性 调节阀理想流量特性：通过控制阀的流量和阀门开度之间的函数关系。 f 为相对流量；l 为相对开度： • 线性阀（1）： • 等百分比阀或称对数阀（2）：

27. 调节阀的工作流量特性分析 阀阻比 S100：调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比，即

28. 调节阀工作流量特性（续） 线性阀的特性变异 对数阀的特性变异

29. 调节阀流量特性总结 • 线性阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当开度到达50 ~ 70%时，流量已接近其全开时的数值，即Kv随着开度的增大而显著下降。 • 对数阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的减少， Kv 渐近于常数。

30. 调节阀流量特性的选择 • 选择原则： 仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于 0. 60以上（即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。

31. “广义对象”的概念 特点：（1）使控制系统的设计与分析简化； （2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性； （3）只关心某些特定的输入输出变量。

32. 广义对象的描述 可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象：

33. 过程增益的计算

34. 过程的时间常数

35. 过程的时间滞后

36. 阶跃响应测试法1 • 对象的近似模型： 对应参数见左图，而增益为：

37. 阶跃响应测试法2

38. 广义对象矩形脉冲响应测试法

39. 结 论 • 介绍了简单被控过程的机理建模方法与线性化问题； • 讨论了调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则； • 讲述了“广义对象”的概念及其动态特性的典型测试方法。

40. 思考题与习题

41. 思考题与习题

42. 仿真练习 • 阅读matlab帮助中Simulink部分有关“Creating Masked Subsystems”的内容，并按照其中的说明构造自己专用的传递函数模块，该模块具有初始的输入和输出，并包含纯滞后环节。 • 对自己的传递函数模块进行阶跃响应测试，并用plot命令画出阶跃输入和响应输出曲线（标明曲线的横、纵坐标，名称）。并对曲线的线形、颜色、粗细、座标等进行修改。