简单控制系统 3

会计学1简单控制系统简单控制系统 3回顾回顾2.6 2.6 2.6 2.6 控制系统的分类控制系统的分类控制系统的分类控制系统的分类2.7 2.7 2.7 2.7 控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标控制系统的控制性能指标闭环闭环控制和控制和开环开环控制，控制，定值定值控制和控制和随动随动控制，控制，反馈反馈控制和控制和前馈前馈控制，控制，简单简单控制和控制和复杂复杂控制。控制。单项性能指标单项性能指标：衰减比，超调量和最大动态偏差，：衰减比，超调量和最大动态偏差，余差，回复时间，振荡频率和振荡周期；余差，回复时间，振荡频率和振荡周期；综合性能指标综合性能指标：误差平方积分指标，绝对误差积分：误差平方积分指标，绝对误差积分指标，时间乘绝对误差积分指标指标，时间乘绝对误差积分指标第1页/共63页回顾回顾2.8 2.8 2.8 2.8 过程动态特性和动态建模过程动态特性和动态建模过程动态特性和动态建模过程动态特性和动态建模l动态数学模型的作用和要求动态数学模型的作用和要求l数学模型的分类数学模型的分类l建立数学模型的途径建立数学模型的途径简单、正确、可靠简单、正确、可靠线性与非线性、动态与静态、随机与确定、线性与非线性、动态与静态、随机与确定、集中参数与分布参数、连续与离散、定常与时变集中参数与分布参数、连续与离散、定常与时变机理模型机理模型(白箱白箱)、经验模型、经验模型(黑箱黑箱)、机理和经验、机理和经验(灰箱灰箱)第2页/共63页第二章第二章 简单控制系统简单控制系统2.8 2.8 过程动态特性与动态建模过程动态特性与动态建模l建立数学模型的途径建立数学模型的途径机理建模（白箱）机理建模（白箱）从机理出发，也就是从过程内在的物理和从机理出发，也就是从过程内在的物理和化学规律出发建立稳态数学模型的工作。化学规律出发建立稳态数学模型的工作。第3页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l建立数学模型的途径建立数学模型的途径经验模型（黑箱）经验模型（黑箱）对已投产的过程，通过测试或依靠积累的操作对已投产的过程，通过测试或依靠积累的操作数据，用数学方法回归，得到经验模型。数据，用数学方法回归，得到经验模型。由测试数据确定模型的结构和参数的建模方法称为由测试数据确定模型的结构和参数的建模方法称为系统辨识方法系统辨识方法；系统辨识方法分为；系统辨识方法分为非参数模型辨识非参数模型辨识和和参参数模型辨识数模型辨识。在已定模型结构的基础上由测试数据确定。在已定模型结构的基础上由测试数据确定参数的方法为参数的方法为参数估计参数估计。第4页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l建立数学模型的途径建立数学模型的途径机理模型的优点机理模型的优点：1)可以充分利用已知的过程知识，从事物的本质上去认可以充分利用已知的过程知识，从事物的本质上去认识外部特性；识外部特性；2)可以验前得出，在流程和设备的设计阶段即能求取；可以验前得出，在流程和设备的设计阶段即能求取；3)有较大的适用范围，操作条件变化可以类推，即使处有较大的适用范围，操作条件变化可以类推，即使处理的物料有所改变，只要已知其物理化学参数，仍不难理的物料有所改变，只要已知其物理化学参数，仍不难计算。计算。第5页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l建立数学模型的途径建立数学模型的途径机理模型的缺点机理模型的缺点：1)对于复杂的过程，人们对基本方程的某些参数不完对于复杂的过程，人们对基本方程的某些参数不完全掌握，很难预先精确估计；全掌握，很难预先精确估计；2)如不经过输入输出数据的验证，难以判断其正确性。如不经过输入输出数据的验证，难以判断其正确性。第6页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l建立数学模型的途径建立数学模型的途径机理建模和经验建模相结合（灰箱）：机理建模和经验建模相结合（灰箱）：1)1)主体上按照机理方程建模，但对其中的部分参数通主体上按照机理方程建模，但对其中的部分参数通过实测得到；过实测得到；2)2)通过机理分析，把自变量适当组合，得出数学模型通过机理分析，把自变量适当组合，得出数学模型的函数形式；的函数形式；3)3)由机理出发，通过计算或仿真，得到大量的输入输由机理出发，通过计算或仿真，得到大量的输入输出数据，再用回归方法得出简化模型。出数据，再用回归方法得出简化模型。第7页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的用途数学模型的用途控制方案的确定控制方案的确定 方案的确定与工艺要求及操作情况有关，如方案的确定与工艺要求及操作情况有关，如能对过程的数学模型有所了解，对这一选择可起能对过程的数学模型有所了解，对这一选择可起到定量剖析的作用。到定量剖析的作用。第8页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的用途数学模型的用途控制算法的设计控制算法的设计 -PID控制控制-前馈控制前馈控制-Smith预估预估-内模控制内模控制-解耦控制解耦控制第9页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的用途数学模型的用途生产装置的故障诊断生产装置的故障诊断 通过数学模型预报生产过程的故障，分析故通过数学模型预报生产过程的故障，分析故障原因，对过程参数进行监测等。障原因，对过程参数进行监测等。第10页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l数学模型的用途数学模型的用途用于工艺运行和设计用于工艺运行和设计 在实际生产中，一套生产装置的合理设计或实际在实际生产中，一套生产装置的合理设计或实际生产装置的优化操作，以及生产装置生产能力的预测生产装置的优化操作，以及生产装置生产能力的预测或评价等均离不开过程模型。或评价等均离不开过程模型。第11页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型例：串接液位储槽例：串接液位储槽qin为流入储槽为流入储槽1的体积流量；的体积流量；qm为流入储槽为流入储槽2的体积流量；的体积流量；qout为流出储槽为流出储槽2的体积流量；的体积流量；A1为储槽为储槽1的横截面积；的横截面积；A2为储槽为储槽2的横截面积；的横截面积；h1为储槽为储槽1的液位高度；的液位高度；h2为储槽为储槽2的液位高度；的液位高度；R1为流出阀为流出阀1阻力；阻力；R2为流出阀为流出阀2阻力；阻力；第12页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型过程内在机理的表述过程内在机理的表述-物料平衡关系物料平衡关系单位时间内单位时间内进入进入系统的物料量（或能量）系统的物料量（或能量）-单位时间单位时间内流内流出出系统的物料量（或能量）系统的物料量（或能量）=系统内物料（或能量）系统内物料（或能量）储藏储藏量的变化率量的变化率第13页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型储槽储槽1的物料平衡关系的物料平衡关系设设V1 表示储槽表示储槽1的液体体积，则根据物料平衡关系，可得到，的液体体积，则根据物料平衡关系，可得到，第14页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型输入流量输入流量qin与液位无关与液位无关1是紊流状态下的节流系数是紊流状态下的节流系数 f1 是调节阀的开启面积是调节阀的开启面积第15页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型储槽储槽2的物料平衡关系的物料平衡关系第16页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型储槽储槽1和和2的物料平衡关系的物料平衡关系 这两个式子是非线性微分方这两个式子是非线性微分方程，需将程，需将非线性微分方程线性非线性微分方程线性化化，从而便于计算和分析。，从而便于计算和分析。第17页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型线性化原理线性化原理非线性项非线性项将非线性项展开成泰勒级数将非线性项展开成泰勒级数第18页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型线性化原理线性化原理略去高于一次小增量略去高于一次小增量 的项，则有的项，则有由此可得，由此可得，第19页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型对储槽对储槽1 1的线性化的线性化第20页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型对储槽对储槽1 1的线性化的线性化第21页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型对储槽对储槽2 2的线性化的线性化第22页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型对储槽对储槽2 2的线性化的线性化第23页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型对储槽对储槽2 2的线性化的线性化第24页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模阻尼阻尼容量系数容量系数第25页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模第26页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模时间常数时间常数第27页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型例：串接液位储槽例：串接液位储槽(1)建立储槽建立储槽1、2模模型型第28页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型（2）对上述两个非线性方程进行线性化）对上述两个非线性方程进行线性化第29页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型（3）写成标准形式）写成标准形式第30页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型（4）消去中间变量）消去中间变量（5）转换为标准形式）转换为标准形式二阶线性微分方程二阶线性微分方程第31页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的输入输出模型过程的输入输出模型第32页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的动态特性分析过程的动态特性分析阶跃输入信号阶跃输入信号(R为常数，当为常数，当R=1时，称为单位阶跃信号时，称为单位阶跃信号)第33页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的动态特性分析过程的动态特性分析一阶对象的动态过程一阶对象的动态过程 第34页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的动态特性分析过程的动态特性分析一阶对象的动态响应一阶对象的动态响应 第35页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的动态特性分析过程的动态特性分析二阶对象的动态过程二阶对象的动态过程(0称为系统称为系统的自然频率，的自然频率，称为衰减系数或阻尼系数）称为衰减系数或阻尼系数）第36页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的动态特性分析过程的动态特性分析二阶对象的动态过程二阶对象的动态过程（阶跃输入下）（阶跃输入下）第37页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的动态特性分析过程的动态特性分析二阶对象的动态过程二阶对象的动态过程（阶跃输入下）（阶跃输入下）1 1当当11时时第38页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的动态特性分析过程的动态特性分析二阶对象的动态过程二阶对象的动态过程（阶跃输入下）（阶跃输入下）2 2当当=1 1时时第39页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l过程的动态特性分析过程的动态特性分析二阶对象的动态过程二阶对象的动态过程（阶跃输入下）（阶跃输入下）3 3当当001(0.3-0.5)(0.3-0.5)时，较难控制。时，较难控制。第56页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l动态特性对控制性能指标的影响动态特性对控制性能指标的影响纯滞后时间的影响纯滞后时间的影响 干扰通道干扰通道f 的影响的影响：无影响。：无影响。第57页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l动态特性对控制性能指标的影响动态特性对控制性能指标的影响扰动进入系统位置的影响扰动进入系统位置的影响 干扰进入系统的位置离操纵变量越近，扰动对系统干扰进入系统的位置离操纵变量越近，扰动对系统输出影响越小，干扰更容易被克服，控制质量提高。输出影响越小，干扰更容易被克服，控制质量提高。第58页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l动态特性对控制性能指标的影响动态特性对控制性能指标的影响被控变量的选择：被控变量的选择：-根据工艺要求选择；根据工艺要求选择；-控制通道增益控制通道增益K Ko o尽量大；尽量大；-过程的过程的o o/T To o尽量小；尽量小；-过程的过程的T To o/T Tf f尽量小；尽量小；-扰动尽量接近操纵变量。扰动尽量接近操纵变量。第59页/共63页2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模l动态特性对控制性能指标的影响动态特性对控制性能指标的影响操纵变量的选择：操纵变量的选择：-根据工艺选择对被控变量影响大的变量（根据工艺选择对被控变量影响大的变量（Ko尽量大）尽量大）-过程的过程的o/To尽量小；尽量小；-过程的过程的To/Tf 尽量小；尽量小；-使过程的使过程的Kf F尽量小。尽量小。第60页/共63页l动态特性对控制性能指标的影响动态特性对控制性能指标的影响小结小结l建立数学模型的途径建立数学模型的途径2.8 2.8 过程动态特性和过程动态建模过程动态特性和过程动态建模机理建模，经验建模；（举例）机理建模，经验建模；（举例）l过程的动态特性分析过程的动态特性分析阶跃输入条件下，过程响应的特性；阶跃输入条件下，过程响应的特性；l动态过程的分类动态过程的分类自衡非振荡，无自衡非振荡，衰减振荡，反向特性；自衡非振荡，无自衡非振荡，衰减振荡，反向特性；增益，时间常数，时滞，扰动，操纵变量，被控变量增益，时间常数，时滞，扰动，操纵变量，被控变量第61页/共63页课堂练习课堂练习（A）（B）（C）（D）观察下面四个在阶跃作用下的响应观察下面四个在阶跃作用下的响应曲线，分别写出各图所属的动态过曲线，分别写出各图所属的动态过程类型。程类型。第62页/共63页