第二章调节对象的特性课件

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第二章 过程特性及其数学模型,1,第二章 过程特性及其数学模型1,2.1,化工过程的特点及其描述方法,调节效果取决于调节对象（内因）和调节系统（外因）两个方面。,外因只有通过内因起作用,，,内因是最终效果的决定因素,。,设计调节系统的前提是：,正确掌握工艺系统调节作用（输入）与调节结果（输出）之间的关系,对象的特性。,2,2.1 化工过程的特点及其描述方法调节效果取决于调节对象（,对象特性的分类与研究方法,所谓研究对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系,数学建模,。,对象的数学模型,：对象特性的数学描述；,控制作用,干扰作用,被控变量,3,对象特性的分类与研究方法所谓研究对象的特性，就是用数学的方法,动态数学模型是更精确的模型，静态数学模型是动态数学模型在对象达到平衡时的特例。,对象的数学模型,静态数学模型,动态数学模型,对象在稳定时（静态）的输入与输出关系,在输入量改变以后输出量跟随变化的规律,4,动态数学模型是更精确的模型，静态数学模型是动态数学模型在对象,系统的动态特性,对象受到干扰作用或调节作用后，被调参数跟随变化规律。,研究系统动态特性的核心是：寻找系统输入与输出之间的（函数）规律。,系统输入量：干扰作用、调节作用,系统输出量：系统的主要被调参数、副作用,5,系统的动态特性对象受到干扰作用或调节作用后，被调参数跟随变化,数学模型的表示方法：,非参量模型,：用曲线、图表表示的系统输入与输出量之间的关系；,参量模型,：用数学方程式表示的系统输入与输出量之间的关系。,6,数学模型的表示方法：6,对象动态特性的研究方法,理论分析,根据系统工艺实际过程的数量关系，分析计算输入量与输出量之间的关系。,实验研究,有些系统的输入与输出之间的关系是比较难以通过计算来获得的。需要在实际系统或实验系统中，通过一组输入来考察输出的跟随变化规律,反映输入与输出关系的经验曲线和经验函数关系。,7,对象动态特性的研究方法理论分析7,2.2,对象数学模型的建立,一阶对象,：,系统输入、输出关系（动态特性）可以用一阶微分方程来表示的控制对象。,积分对象,系统动态特性可以用一阶积分方程来表示的控制对象。,二阶对象,：,系统动态特性可以用二阶微分方程来表示的控制对象。,8,2.2 对象数学模型的建立一阶对象：8,示例一：一阶对象,由体积守恒可得：,(Q,1,-Q,2,)dt=Adh,其中：Q,2,h/R,s,R,S,局部阻力项,由此可得：,R,S,Q,1,=h+A R,s,(dh/dt),或:,K Q,1,=h+T(dh/dt),h,Q,1,Q,2,9,示例一：一阶对象由体积守恒可得：hQ1Q29,示例二：积分对象,由体积守恒可得：,(Q,1,-Q,2,)dt=Adh,其中：Q,2,=C,C常数,由此可得：,Q,1,=Q,2,+A(dh/dt),或:,h=(1/A),(Q,1,-C),dt,h,Q,1,Q,2,10,示例二：积分对象由体积守恒可得：hQ1Q210,示例三：二阶对象,由体积守恒可得：,(Q,1,-Q,12,)dt=A,1,dh,1,(Q,12,-Q,2,)dt=A,2,dh,2,由此可得：,R,2,Q,1,=h,2,+(A,1,R,1,+A,2,R,2,)(dh,2,/dt),+A,1,R,1,A,2,R,2,(d,2,h,2,/dt,2,),或:,KQ,1,=h,2,+(T,1,+T,2,)(dh,2,/dt),+T,1,T,2,(d,2,h,2,/dt,2,),h,1,Q,1,Q,12,Q,2,h,2,11,示例三：二阶对象由体积守恒可得：h1Q1Q12Q2h211,三、,实验建模,“科学”和“技术”具有不同的范畴,许多复杂的过程不能通过理论分析得出显性表达式；,理论推导通常忽略一些影响因素，而这些因素对实际结果具有相当的影响；,通过实验获得经验方程有时比理论推算更方便。,12,三、实验建模“科学”和“技术”具有不同的范畴12,对象特性研究的目的在于获得以下参数：,输入与输出的对应关系对象的静态特性；,调节作用的时间常数与滞后时间对象的动态特性。,13,对象特性研究的目的在于获得以下参数：13,对象特性的实验研究方法,多点拟合法,在调节量的全部变化范围内，按一定规律依次取值实验，分别记录被调参数变化规律，并进而分析各种静态特性和动态特性参数。,优点,：结果比较准确。,缺点,：时间长，代价大。,14,对象特性的实验研究方法多点拟合法14,对象特性的实验研究方法,阶跃反应曲线法,通过调节量的一个阶跃变化寻找对象的动态特性。,优点,：简单易行。,缺点,：精度低。,周期脉冲法,通过调节量的周期变化（矩形波或正弦变化），获取对象的动、静态特性。,优点,：能反应条件波动时的结果。,缺点,：不能用于大滞后系统,。,15,对象特性的实验研究方法阶跃反应曲线法15,对象特性实验注意事项,实验应在其它条件相对相对稳定时进行；,条件变化与结果记录应同时进行，以便分析滞后时间；,实验结果的记录应持续到输出量达到稳定态为止；,尽可能增加实验点数，必要时可进行重复实验，以提高精度；,对实验数据中的奇异点，要认真分析，尽量排除。,注意实验中的异常变化，必要时做好预防措施，以策安全。,16,对象特性实验注意事项实验应在其它条件相对相对稳定时进行；16,2.3,描述对象特性的参数,放大倍数K,在系统稳定条件下,，输入量与输出量之间的对应关系,系统的静态特性。,如：h=KQ+C 或,h=K Q,K值越大，系统灵敏度越高,。,在实际工艺系统中，通常采用比较K值的方法来选择主要控制参数。当然，由于工艺条件和生产成本的制约，实际上并不一定都选择K值最大的因素作为主控参数。,17,2.3 描述对象特性的参数放大倍数K17,2.3,描述对象特性的参数,时间常数T,在一定的输入作用下，被控变量完成其变化所需时间的参数。,当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳定值所须的时间,。,由于调节量越大，,被控变量,的变化越大。随着调节作用的进行，相对调节量变小，,被控变量,的变化减小。所以，在阶跃输入后，,被控变量,的实际变化速度是越来越小的。因此，,被控变量,变化到新的稳定值（与新输入量相对应的输出量）所需的时间实际上应该是无限长。,18,2.3 描述对象特性的参数时间常数T18,示例四：一阶对象的放大倍数和时间常数,(Q,1,-Q,2,)dt=Adh 其中 Q,2,h/R,s,对于任意Q,1,输入，最终总能形成一定的h，使得：,Q,1,=Q,2,h/R,s,一个Q,1,对应一个确定的h,。,参数R,s,实际上决定了稳定液位高度与给料量之间的对应关系,比例系数,或,放大倍数,。,当某一瞬间Q,1,从a增加/减少到b时，h需要经过一段时间才能从对应的h,1,增加/减少到h,2,。,时间常数T,即用于描述此过程的快慢。,h,Q,1,Q,2,19,示例四：一阶对象的放大倍数和时间常数(Q1-Q2)dt=,2.3,描述对象特性的参数,滞后时间,在输入参数变化后，有的输出参数不能立即发生变化，而需要等待一段时间才开始产生明显变化，这个时间间隔称为滞后时间。,滞后时间按其产生原因可以分为：,传递滞后,：滞后期内无变化新参数的作用结果还没有传递到输出点；,容量滞后,：滞后期内逐步产生微弱变化新参数的作用结果受到容积量的缓冲。,20,2.3 描述对象特性的参数滞后时间20,示例五：二阶对象传递滞后与容量滞后,当Q,1,发生变化后，需要,经过时间t,1,，其新流量才能进入被控系统,传递滞后,。,Q,1,变化后的流量进入被控系统后，首先使h,1,逐步发生变化；,经过时间t,2,后，h,1,有了较大变化，才引起Q,12,发生明显变化，并进而导致h,2,开始发生显著变化,容量滞后,。,h,1,Q,1,Q,12,Q,2,h,2,21,示例五：二阶对象传递滞后与容量滞后当Q1发生变化后，需,思考题,1、简单描述对象特性的参数有哪些？各有何物理意义？,2、对象特性参数（K、T、,）对控制过程有什么不同的影响？,3、实验测取对象特性常用的方法有哪些？各有什么特点？,22,思考题1、简单描述对象特性的参数有哪些？各有何物理意义？22,