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1、过程控制基础及应用过程控制基础及应用 浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系 1 第2章 控制系统基本组成环节特性分析 被控对象特性及其对过渡过程的影响被控对象特性及其对过渡过程的影响 测量变送环节特性及其对过渡过程的影响测量变送环节特性及其对过渡过程的影响 执行器特性及其对过渡过程的影响执行器特性及其对过渡过程的影响 控制规律及其对过渡过程的影响控制规律及其对过渡过程的影响 过程控制基础及应用过程控制基础及应用 浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系 2 调节器 (控制器) 被控对象 测量变送环节 (传感器、变送器) + x 执行器 z e u q y f 过程控制基础及应用过程
2、控制基础及应用 浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系 3 2.1 2.1 被控对象特性及其对过渡过程的影响被控对象特性及其对过渡过程的影响 对象特性对象特性是指对象输入量与输出量之间的关系是指对象输入量与输出量之间的关系( (数学模型数学模型) ) 即对象受到输入作用后，被控变量是如何变化的、变化量为多少即对象受到输入作用后，被控变量是如何变化的、变化量为多少 输入量？输入量？控制变量各种各样的干扰变量控制变量各种各样的干扰变量 由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道通道 控制变量至被控变量的信号联系通道称控制变量至被控变量的信号联系通道称
3、控制通道控制通道 干扰至被控变量的信号联系通道称干扰至被控变量的信号联系通道称干扰通道干扰通道 对象输出为控制通道输出与各干扰通道输出之和。对象输出为控制通道输出与各干扰通道输出之和。 控制通道控制通道 干扰通道干扰通道 干扰变量 控制变量控制变量 被控变量 被控对象被控对象 过程控制基础及应用过程控制基础及应用 浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系 4 数学模型的表示方法：数学模型的表示方法： 参量模型参量模型：采用数学方程式表示的数学模型：采用数学方程式表示的数学模型 常用的描述形式：微分方程常用的描述形式：微分方程( (组组) )、偏微分方程式（组）、传递函数、频率特性等、偏微分
4、方程式（组）、传递函数、频率特性等 参量模型的微分方程的一般表达式：参量模型的微分方程的一般表达式： y(t)y(t)表示输出量，表示输出量，x(t)x(t)表示输入量，通常输出量的阶次不低与输入量的阶次表示输入量，通常输出量的阶次不低与输入量的阶次(nm) (nm) 当当n=mn=m时，称对象是时，称对象是正则正则的；当的；当nmnm时，称对象是时，称对象是严格正则严格正则的；的；nmnm的对象是不可实的对象是不可实 现的。通常现的。通常n=1n=1，称该对象为称该对象为一阶对象模型一阶对象模型；n=2n=2，称称二阶对象模型二阶对象模型。 非参量模型非参量模型：采用曲线、表格等形式表示的数
5、学模型。采用曲线、表格等形式表示的数学模型。 非参量模型可以通过记录实验结果得到，有时也可以通过计算得到。非参量模型可以通过记录实验结果得到，有时也可以通过计算得到。 特点：形象、清晰，缺乏数学方程的解析性质，直接利用它们来进行特点：形象、清晰，缺乏数学方程的解析性质，直接利用它们来进行 系统的分析和设计往往比较困难。（必要时可对它们进行数学处理获系统的分析和设计往往比较困难。（必要时可对它们进行数学处理获 得参量模型）。得参量模型）。 数学模型描述的是对象在受到控制作用或干扰作用后数学模型描述的是对象在受到控制作用或干扰作用后 被控变量的变化规律，因此对象的非参量模型可以用对象在一定形式被控
6、变量的变化规律，因此对象的非参量模型可以用对象在一定形式 的输入作用下的的输入作用下的 输出曲线或数据来表示。主要有：阶跃反应曲线法、输出曲线或数据来表示。主要有：阶跃反应曲线法、 脉冲反应曲线法、频率特性曲线法等。脉冲反应曲线法、频率特性曲线法等。 过程控制基础及应用过程控制基础及应用 浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系 5 建模目的： 1.设计控制方案 全面深入的了解被控对象特性是设计控制系统的基础。比 如控制系统中被控变量及检测点的选择、控制（操纵）变量的确定、控制系 统结构形式的确定等都与被控对象的特性有关。 2.调整控制系统和确定控制器参数 充分了解被控对象特性是安全调试和
7、投 运控制系统的保证。此外，选择控制规律和确定控制器参数也离不开对被控 对象特性的了解。 3.制定工业过程的优化控制方案 优化控制往往可以在基本不增加投资与设备 的情况下获取可观的经济效益。这离不开对被控对象特性的了解，而且主要 是依靠对象的稳态数学模型。 4.确定新型控制方案及控制算法 在用计算机构成一些新型控制系统时，往 往离不开被控对象的数学模型。例如预测控制、推理控制、前馈动态补偿等 都是在已知对象数学模型的基础上才能进行的。 5.建立计算机仿真与过程培训系统 利用数学模型和系统仿真技术，使操作 人员可以再计算机上对各种控制策略进行定量的比较和评定。还可以为操作 人员提供仿真操作的平台
8、，从而为高速、安全、低成本的培训工程技术人员 和操作工人提供捷径，并有可能制定大型设备的启动和停车操作方案。 6.设计工业过程的故障检测与诊断系统。 过程控制基础及应用过程控制基础及应用 浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系 6 建模的方法：建模的方法：机理建模、实验建模、混合建模机理建模、实验建模、混合建模 机理建模机理建模根据物料、能量平衡、化学反应、传热传质等根据物料、能量平衡、化学反应、传热传质等基本方程基本方程，从理论上来推导建立数学，从理论上来推导建立数学 模型。模型。 由于工业对象往往都非常复杂，物理、化学过程的机理一般不能被完全了解，而且线性的由于工业对象往往都非常复杂
9、，物理、化学过程的机理一般不能被完全了解，而且线性的 并不多，再加上分布元件参数（即参数是时间与位置的函数）较多，一般很难完全掌握系统内并不多，再加上分布元件参数（即参数是时间与位置的函数）较多，一般很难完全掌握系统内 部的精确关系式。另外，在机理建模过程中，往往还需要引入恰当的简化、假设、近似、非线部的精确关系式。另外，在机理建模过程中，往往还需要引入恰当的简化、假设、近似、非线 性的线性化处理等，而且机理建模也仅适用于部分相对简单的系统。性的线性化处理等，而且机理建模也仅适用于部分相对简单的系统。 实验建模实验建模在所要研究的对象上，人为的施加一个输入作用，然后用仪表记录表征对象特性的在所
10、要研究的对象上，人为的施加一个输入作用，然后用仪表记录表征对象特性的 物理量随时间变化的规律，得到一系列实验数据或曲线。这些数据或曲线就可以用物理量随时间变化的规律，得到一系列实验数据或曲线。这些数据或曲线就可以用 来表示对象特性。来表示对象特性。 这种应用对象输入输出的实测数据来决定其模型的方法，通常称为这种应用对象输入输出的实测数据来决定其模型的方法，通常称为系统辨识系统辨识。其主要特点。其主要特点 是把被研究的对象视为一个是把被研究的对象视为一个黑箱子黑箱子，不管其内部机理如何，完全从外部特性上来测试和描述对，不管其内部机理如何，完全从外部特性上来测试和描述对 象的动态特性。有时，为进一
11、步分析对象特性，可对这些数据或曲线进行处理，使其转化为描象的动态特性。有时，为进一步分析对象特性，可对这些数据或曲线进行处理，使其转化为描 述对象特性的解析表达式。述对象特性的解析表达式。 混合建模混合建模将机理建模与实验建模结合起来，称为混合建模。将机理建模与实验建模结合起来，称为混合建模。 混合建模是一种比较实用的方法，它先由机理分析的方法提出数学模型的结构形混合建模是一种比较实用的方法，它先由机理分析的方法提出数学模型的结构形 式，把被研究的对象视为一个式，把被研究的对象视为一个黑箱子黑箱子，然后对其中某些未知的或不确定的参数利用实，然后对其中某些未知的或不确定的参数利用实 验的方法给予
12、确定。这种在已知模型结构的基础上，通过实测数据来确定数学表达式验的方法给予确定。这种在已知模型结构的基础上，通过实测数据来确定数学表达式 中某些参数的方法，称为中某些参数的方法，称为参数估计。参数估计。 过程控制基础及应用过程控制基础及应用 浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系 7 对象机理数学模型的建立对象机理数学模型的建立 问题：处于平衡状态的对象加入干扰以后，不经控制系统能否自行达到新的平衡状态？问题：处于平衡状态的对象加入干扰以后，不经控制系统能否自行达到新的平衡状态？ 左图：假设初始为平衡状态左图：假设初始为平衡状态q q i i = =q q o o ，水箱水位保持不变。水
13、箱水位保持不变。 当发生变化时当发生变化时( (q q i i q q o o ) )，此时水箱的水位开始升高此时水箱的水位开始升高 根据流体力学原理，水箱出口流量与根据流体力学原理，水箱出口流量与HH是存在一定的对应关系的：是存在一定的对应关系的： 因此，因此，q q i i H H q q o o ，直至直至q q i i = =q q o o 可见该系统受到干扰以后，即使不加控制，最可见该系统受到干扰以后，即使不加控制，最 终自身是会回到新的平衡状态，这种特性称为终自身是会回到新的平衡状态，这种特性称为“自衡特性自衡特性”。 右图：如果水箱出口由泵打出，其不同之处在于：右图：如果水箱出口
14、由泵打出，其不同之处在于：q q i i 当发生变化时，当发生变化时，q q o o 不发生变化。如不发生变化。如 果果q q i i q q o o ，水位水位HH将不断上升，直至溢出，可见该系统是将不断上升，直至溢出，可见该系统是无自衡能力无自衡能力。 绝大多数对象都有自衡能力，一般而言有自衡能力的系统比无自衡能力的系统容易控制。绝大多数对象都有自衡能力，一般而言有自衡能力的系统比无自衡能力的系统容易控制。 R为阻力系数 过程控制基础及应用过程控制基础及应用 浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系 8 一阶线性对象一阶线性对象 问题：求右图所示的对象模型（输入输出模型）。问题：求右图
15、所示的对象模型（输入输出模型）。 解：解： 该对象的输入量为该对象的输入量为q q i i 被控变量为液位被控变量为液位h h 根据物料平衡方程：根据物料平衡方程： 单位时间内水槽体积的改变输入流量单位时间内水槽体积的改变输入流量 输出流量输出流量 由于出口流量可以近似地表示为：由于出口流量可以近似地表示为： (i)(i)式是针对式是针对完全量完全量的输入输出模型，的输入输出模型，(ii)(ii)式是针对式是针对变化量变化量的输入输出模型，二者的结构形的输入输出模型，二者的结构形 式完全相同。由于在控制领域中，特性的分析往往是针对变化量而言的，为了书写方便在式完全相同。由于在控制领域中，特性的
16、分析往往是针对变化量而言的，为了书写方便在 以后的表达式中不写出变化量符号。以后的表达式中不写出变化量符号。 过程控制基础及应用过程控制基础及应用 浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系 9 对上式作拉氏变换：对上式作拉氏变换： 对象的对象的传递函数传递函数： 该对象的该对象的阶跃响应阶跃响应：如果如果q q i i 为幅值为为幅值为A A的阶跃输入，则的阶跃输入，则 这是最典型的一阶对象的传递函数这是最典型的一阶对象的传递函数 拉普拉斯反变换 过程控制基础及应用过程控制基础及应用 浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系 10 一阶线性对象（总结）一阶线性对象（总结） 典型的微分方程典型的微分方程 典型的传递函数典型的传递函数 典型的阶跃响应函数典型的阶跃响应函数 典型的阶跃响应曲线典型的阶跃响应曲线 h() h(t
