1、第五章 过程控制对象动态特性及其数学模型,自动化系 唐德东 023-65023732 逸夫科技楼I410,2019/2/18,2,教学目的与要求：理解过程控制对象的基本概念，理解有自平衡能力对象以及无自平衡能力对象的动态特性，能够利用时域法辨识对象的数学模型。,教学重点：时域法辨识对象的数学模型 教学难点：时域法辨识对象的数学模型,2019/2/18,3,第十二讲 过程控制对象的特点及对象的动态特性,一、基本概念,控制系统由被控对象，变送器，控制器，执行器组成。 要选择自动控制方案，设计最佳控制系统，确定系统最佳整定参数，必须对被控对象的动态特性进行研究。,2019/2/18,4,2019/
2、2/18,5,被控对象大都是生产中的工艺设备，它是控制系统的重要环节。无论是设计、还是操作控制系统，都需要了解被控对象的特性。在经典控制理论中，被控对象的特性一般用单输入、输出的数学模型描述。最常用的是传递函数。传递函数是指用拉氏变换式表示的对象特性。,2019/2/18,6,被控对象：指工业生产过程中的各种装置和设备（加热炉，锅炉等） 被控量：温度，压力，流量，液位，成分，转速等。 控制对象的动态特性：对象在各个输入量发生扰动时，被控量随时间变化的规律。 通道：被控对象输入量与输出量之间的信号联系称为“通道”。 控制通道：控制作用与被控变量之间的信号联系称为控制通道。 干扰通道：干扰作用与被
3、控变量之间的信号联系称为干扰通道。,2019/2/18,7,对于简单对象的动态特性，可以根据生产过程机理和生产设备结构用分析计算的方法得出（机理法）。 复杂对象，用机理法难以获得精确的数学模型，常常采用现场测试方法来了解对象的动态特性（常用阶跃响应法）。,2019/2/18,8,对象通常有物质和能量的流动。从外部流入对象内部的物质或能量称为流入量。从对象内部流出的物质或能量称为流出量。当流入量和流出量保持平衡时，对象处于平衡稳定工况。,二、 过程控制对象的特点,2019/2/18,9, 对象的被控量变化比较缓慢。,对象通常情况下具有：不振荡，单调，有迟延和惯性。,分为两类： 有自平衡能力的对象
4、和无自平衡能力的对象。,2019/2/18,10,三、 影响对象动态特性的主要结构特征参数,容量系数C：指被控量变化一个单位量时，所需对象物质或能量储存量的改变量。是反应被控对象惯性的量。,2019/2/18,11,阻力R：被控量变化dy时，会引起流量（流入量或流出量）变化dQ，二者比值即为对象的阻力。（液阻，气阻，电阻，热阻等）,Kr:传热系数,2019/2/18,12,单容对象：只有一个集中容积对象 双容或多容对象：两个或两个以上容积,2019/2/18,13,传输距离和延迟被控量变化的时刻落后于扰动发生的时刻的现象，称为对象的迟延（或滞后）。物质（或能量）由于传输距离而产生的迟延，称为传
5、输迟延或纯迟延。,2019/2/18,14,由于对象具有容量系数、阻力和传输距离，在动态过程表现为惯性、自平衡和延迟，相应有三个特征参数：K、T、,2019/2/18,15,小结：对象具有容量系数，阻力，传输距离，故表现为惯性，自平衡和迟延这三个重要动态特性。 描述对象动态特性的三个特征参数为： 放大系数K，时间常数T，迟延时间,2019/2/18,16,四、 具有自平衡能力的对象的动态特性,如果被控对象在扰动作用下，偏离原平衡状态，能够不采用人为干预或控制装置干预的情况下，依靠自身的能力重新恢复平衡状态，那么这样的对象被称为具有自平衡能力的对象。 实质：对象自身具有内部负反馈。,2019/2
6、/18,17,1、 单容对象的动态特性,初始时刻 对象处于平衡状态,增大控制阀开度后，流入量成比例增加,水位增加，阀2两侧压力增加，流出量增加,Q1-Q2逐渐减小，h上升速度减慢，至Q1=Q2，系统达到新平衡,2019/2/18,18,假定某一时刻，阀门1突然开大1 ， 则Q1突然增大，不再等于Q2，于是 h也就开始变化。Q1与Q2之差被囤积在水槽中，造成液位上升。,（ Ql - Q2 ）/ A = dh / dt, Q1 = K1,2019/2/18,19,即,解得,写成标准形式,令：T = ARs 时间常数； K = KRs放大倍数。,进行拉氏变换,TS H(S) + H(S) = K1(
7、S),传递函数为：,2019/2/18,20,阶跃相应（飞升）曲线,输入量1作一阶跃变化（1）时，其输出（h）随时间变化的曲线。,因,则,时域表达式,又称一阶惯性特性或单容特性,2019/2/18,21,因为工艺过程就是能量或物质的交换过程，在此过程中，肯定存在能量的储存和阻力。,（1）容量系数反映对象存储能量的能力。如水槽面积A，它影响时间常数 T 的大小。,（2）阻力系数反映对象对物料或能量传递的阻力。如阀门阻力系数 RS ，它影响放大系数 K 的大小。,T = ARS,K = RS,对象的特性参数K、T反映了对象的物理本质。,2019/2/18,22,结论： 阻力系数影响时间常数和放大系
8、数，容量系数影响时间常数 凡是只有一个储存容积同时还有阻力的被控对象都属于有自平衡能力的单容对象。,2019/2/18,23,从一阶惯性特性曲线可以看出，对象在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，在没有人工干预或调节器干预下，能自动达到新的平衡状态，这种特性称为“自衡特性”。,用自衡率表征对象自衡能力的大小,2019/2/18,24,并不是所有被控过程都具有自衡特性。同样的单容水槽如果出水用泵抽出，则成为无自衡特性。,与放大系数K互为倒数,如果大，说明对象的自衡能力大。即对象能以较小的自我调整量h（），来抵消较大的扰动量1。,2019/2/18,25,2、 有纯迟延的单容对象,2019/2/18,
9、26,3、 多容对象的动态特性,多容对象： 多个容积和阻力构成,2019/2/18,27,2019/2/18,28,1.传递函数为二阶，对象含有串联的两个容积 2.阀1开度增大，h2不是指数曲线，呈s型 3.多容对象对扰动的响应在时间上存在延时，称为容积延时,2019/2/18,29,注意：系统总延迟= 0+ c,2019/2/18,30,五、无自平衡能力对象的动态特性,在阶跃扰动下，对象的原有稳态被破坏，被控量发生变化，而被控量对流出量（或流入量）没有影响，则对象内部没有负反馈作用，这种对象被称为无自平衡能力的对象，只能依靠控制装置的作用才能重新恢复平衡状态。,2019/2/18,31,1、 单容对象的动态特性,2019/2/18,32,2019/2/18,33,对象具有纯滞后时,2019/2/18,34,2、 多容对象的动态特性,2019/2/18,35,2019/2/18,36,作业,5-5,
