第二章过程建模和过程检测控制仪表

第1节过程建模过程控制系统的品质是由组成系统的各个环节的结构及其特性所决定的。过程的数学模型型是设计过程控制系统，确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等等的重要依据。前馈校制、最优控制、多变量解耦控制等更需要有精确的过程数学模型，所以过程数学模型是过程榨制系统设计分忻和应用的重要资料。研究过程建模对于实现生产过程自动化具有十分重要的意义。出发点，控制对象第二章过程建模和过程检测控制仪表一．基本概念被控过程是指正在远行中的多种多样的被控制的生产工艺设备。（各种加热炉、锅炉、热处理炉、贮：罐、精馏塔、化学反应器等等。被控过程的数学模型(动态持性)，是指过程在各输入量(包括控制量与扰动量)作用下，其相应的输出量(被控量)变化函数关系的数学表达式。（传递函数）过程的数学模型有两种．1.非参数模型，图表。例如阶跃响应曲线、脉冲响应曲线列频率特性曲线．是用曲线表示的。2.参数模型，数学模型。例如微分力程、传递函数、脉冲响应函数、状态方程和差分方程等。过程数学模型的分类方法很多．常见的还有动态与静态、连续与离散、定常与时变、集中参数与分布参数等。过程的数学模型还有线线性和非线性之分，本课程主要以线性为主进行讲授。被控过程特点非自衡自衡建模的目的(1)设计过程控制系统和整定调节器参数在过程控制系统的分析、设计和整定时，是以被控过程的数学模型为依据的．它是极其重要的基础资料。例如前馈控制系统就是根据被控过程的数学模型进行设计的，所以建立过程的数学模型是实现前馈控制的前提。(2)指导设计生产工艺设备通过对生产工艺设备数学模型的分析和仿真，可以确定有关因素对整个被控过程动态特性的影响(例如锅炉受热面的布置、管径大小、介质参数的选择等对整个锅炉出口汽温、汽压等动态特性的影响)，从而提出对生产设备的结构设计的合理要求和建议。(3)进行仿真试验研究在实现生产过程自动化中，往往需要对一些复杂庞大的设备进行某些试验研究，例如某单元机组及其控制系统能承受多大的冲击电负荷,当冲击电负荷过大时会造成什么后果.对于这种破坏性的试验往往不允许在实际设备上进行，而只要根据过程的数学模型，通过计算机进行仿真试验研究,就不需要建立小型的物理模型,从而可以节省时间和经费。(4)培训运行操作人员在现代生产过程自动化中，对于一些复杂的生产操作过程(例如大型电站机组的运行)都应该事先对操作人员进行实际操作培训。随着计算机仿真技术的发展。先建立这些复杂生产过程的数学模型(不需要建小型物理模型)，而后通过仿真使之成为活的模型，在这样的模型上，教练员可以安全、方便、多快好省地对运行操作人员进行培训。数学模型的应用与要求一．机理分析法建模（数学分析法建模或理论建模）机理建模是根据过程的内部机理(运动规律），运用一些已知的定律、原理，如生物学定律、化学动力学原理、物料平衡方程、能量平衡方程、传热传质原理等，建立过程的数学模型。应用：1.生产设备还处于设计阶段2.不允许进行试验的场合3.简单的模型注意最终需要试验确定自平衡，非自平衡过程(1)自平衡能力在工业生产过程中，多数被控过程具有自平衡能力。即过程在输入量作用下，其平衡状态被破坏后。无须人或仪器的干预，依靠过程自身能力，逐渐恢复达到另一新的平衡状态，这种特性称为自平衡能力。(2)非自平衡能力在过程控制中亦有少数被控过程无自平衡能力。即被控过程在输入量作用下，其平衡状态被破坏后，没有人或仪器干预，依靠过程自身能力，最后不能恢复其平衡状态，这种特性称其为无自平衍能力。过程又可分自衡过程与非自衡过程。1、单容过程（一）自衡过程建模讨论：(1)、静态时，q1=q2=dh/dt=0;(2)、动态时，可近似认为在工作区域内，q2与h成比例关系，而与阀2的阻力R2成反比,当q1变化时h变化q2变化。经线性化处理，有1212.....................(21).....(22)dhqqAdtdVdhqqAdtdt22.....................(23)hqR其中，R2为阀门2的阻力，称为液阻或流阻。参量关系分析流体紊流液阻R2不仅影响过程的时间常数T0，而且影响过程的放大系数K0，而容量系数c仅影响过程的时间常数。建立数学模型122()()()hdhHsqAQsAsHsRdtR122()()()1.............1...(24)OOOHSWsQsRRTCKss图中、式中，,C为容量系数(或容量)。T0液位过程过程的时间常数TO=R2C，K0液位过程的放大系数由式(2-2)和式(2-3)，有容量C的含义：生产设备和传输管路都具有一定的储蓄物质或能量的能力。被控对象储存能力的大小，称为容量或容量系数，其意义是：引起单位被控量变化时，被控过程储存量变化量。种类：有电容、热容、气容、液容等等阻力的概念：凡是物质或能量的转移，都要克服阻力，阻力的大小决定于不同的势头和流率。种类：电阻、热阻、气阻、流(液)阻。在工业生产过程中，被控过程往往由多个容积和阻力构成，这种过程称为多容过程。2、多容过程动态方程21222223233333(25)dhqqCdthqRdhqqCdthqR020112()().................(26)()(1)(1)kHsWsQsTsTs传递函数容量滞后到扰动后，被控量h2的变化速度并不是一开始就最大，而是要经过一段滞后时间之后才达到最大值，即多容过程对于扰动的响应在时间上存在滞后，被称为容量滞后。产生容量滞后的原因主要是两个容积之间存在着阻力，所以使h2的响应时间向后推移。通过h2的响应曲线的拐点D切线，与时间轴相交于A、与h2(∞)相交于C，C点在时间轴上的投影为B，OA即为容量滞后时间τc，AB即为过程的时间常数T0。多容过程一般表达式，曲线0012()().................(27)()(1)(1)......(1)nkHsWsQsTsTsTs