过程控制-2.1过程建模

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1、过程控制第二章 第二章第二章第二章第二章过程建模和过程检测控制仪表过程建模和过程检测控制仪表过程建模和过程检测控制仪表过程建模和过程检测控制仪表 本章提要本章提要本章提要本章提要 过程建模过程建模过程建模过程建模 常用测量仪表的工作原理及适用场合常用测量仪表的工作原理及适用场合常用测量仪表的工作原理及适用场合常用测量仪表的工作原理及适用场合 变送器的作用及其工作原理变送器的作用及其工作原理变送器的作用及其工作原理变送器的作用及其工作原理 控制器的作用及其工作原理控制器的作用及其工作原理控制器的作用及其工作原理控制器的作用及其工作原理 执行器的作用及其工作原理执行器的作用及其工作原理执行器的作用

2、及其工作原理执行器的作用及其工作原理 过程控制第二章 第二章第二章第二章第二章过程建模和过程检测控制仪表过程建模和过程检测控制仪表过程建模和过程检测控制仪表过程建模和过程检测控制仪表 2.12.12.12.1过程建模过程建模过程建模过程建模 2.22.22.22.2常见被控量的检测常见被控量的检测常见被控量的检测常见被控量的检测 2.32.32.32.3变送器变送器变送器变送器 2.42.42.42.4调节器调节器调节器调节器 2.52.52.52.5执行器执行器执行器执行器 2.62.62.62.6其他常用的单元仪表其他常用的单元仪表其他常用的单元仪表其他常用的单元仪表 2.12.12.12

3、.1过程建模过程建模过程建模过程建模 2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 概述概述概述概述 2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 机理法建模机理法建模机理法建模机理法建模 2.1.3 2.1.3 2.1.3 2.1.3 试验法建模试验法建模试验法建模试验法建模 过程控制第二章 过程控制第二章 在过程控制系统的分析和设计中，过程的在过程控制系统的分析和设计中，过程的在过程控制系统的分析和设计中，过程的在过程控制系统的分析和设计中，过程的数学模型数学模型是极其是极其是极其是极其 重要的基础资料。重要的基础资料。重要的基础资料。重要的基础资料。 一个过程控制系统的优劣，主要取决

4、于对生产工艺过程的一个过程控制系统的优劣，主要取决于对生产工艺过程的一个过程控制系统的优劣，主要取决于对生产工艺过程的一个过程控制系统的优劣，主要取决于对生产工艺过程的 了解和建立过程的数学模型。了解和建立过程的数学模型。了解和建立过程的数学模型。了解和建立过程的数学模型。 2.1.12.1.12.1.12.1.1 概述概述概述概述 一. 研究并建立数学模型的目的一. 研究并建立数学模型的目的 ?1.设计过程控制系统和整定调节器参数。1.设计过程控制系统和整定调节器参数。 前馈控制前馈控制前馈控制前馈控制最优控制最优控制最优控制最优控制参数整定参数整定参数整定参数整定 ?2.进行仿真试验研究。

5、2.进行仿真试验研究。 计算机计算计算机计算计算机计算计算机计算 分析分析分析分析节省成本节省成本节省成本节省成本 加快进度加快进度加快进度加快进度 ?3.指导生产工艺设备的设计。3.指导生产工艺设备的设计。破坏性试验破坏性试验破坏性试验破坏性试验 指导工艺设计指导工艺设计指导工艺设计指导工艺设计 ?4.培训运行操作人员。4.培训运行操作人员。安全安全安全安全 方便方便方便方便 过程控制第二章 二. 数学模型的有关概念二. 数学模型的有关概念 ?3.过程通道:3.过程通道: 输入量与输出量间的信号联系。输入量与输出量间的信号联系。输入量与输出量间的信号联系。输入量与输出量间的信号联系。 ?2.

6、数学模型2.数学模型: : : : 指过程在各输入量的作用下，其相应输出量变化指过程在各输入量的作用下，其相应输出量变化指过程在各输入量的作用下，其相应输出量变化指过程在各输入量的作用下，其相应输出量变化 的函数关系数学表达式。的函数关系数学表达式。的函数关系数学表达式。的函数关系数学表达式。 ?1.被控过程1.被控过程: : : : 正在运行的各种被控制的生产工艺设备，正在运行的各种被控制的生产工艺设备，正在运行的各种被控制的生产工艺设备，正在运行的各种被控制的生产工艺设备， 例如，各种加热炉、锅炉、贮罐、化学反应器等例如，各种加热炉、锅炉、贮罐、化学反应器等。例如，各种加热炉、锅炉、贮罐、

7、化学反应器等例如，各种加热炉、锅炉、贮罐、化学反应器等。 控制器控制器 执行器执行器 被控过程被控过程 测量变送测量变送 x(t)+ - e(t) u(t) q(t) y(t) x(t)+ - e(t) u(t) q(t) y(t) z(t) f1(t) fn(t) ?4.扰动通道:4.扰动通道: 扰动作用与被控量间的信号联系。扰动作用与被控量间的信号联系。扰动作用与被控量间的信号联系。扰动作用与被控量间的信号联系。 ?5.控制通道：5.控制通道：控制作用与被控量间的信号联系控制作用与被控量间的信号联系控制作用与被控量间的信号联系控制作用与被控量间的信号联系 ?6.扰动6.扰动: : : :内

8、扰动内扰动-调节器的输出量调节器的输出量调节器的输出量调节器的输出量q(t)q(t)q(t)q(t)；对质量指标起决定作用对质量指标起决定作用对质量指标起决定作用对质量指标起决定作用 外扰动外扰动-其余非控制的输入量其余非控制的输入量；其余非控制的输入量其余非控制的输入量；也有很大影响也有很大影响也有很大影响也有很大影响 同一个系统， 过程通道不同， 其数学模型亦 不一样 同一个系统， 过程通道不同， 其数学模型亦 不一样 过程控制第二章 ?7.自衡过程7.自衡过程和和无自衡过程无自衡过程 o x(t) t y(t) t o (c) y(t) t o (b) 从阶跃响应曲线来看，大多数被控过程

9、从阶跃响应曲线来看，大多数被控过程从阶跃响应曲线来看，大多数被控过程从阶跃响应曲线来看，大多数被控过程 的特点是：不振荡、单调的、有滞后和惯的特点是：不振荡、单调的、有滞后和惯的特点是：不振荡、单调的、有滞后和惯的特点是：不振荡、单调的、有滞后和惯 性的。如右图所示：性的。如右图所示：性的。如右图所示：性的。如右图所示： y(t) t o (a) 自衡过程自衡过程：在扰动作用下，平衡状态被：在扰动作用下，平衡状态被：在扰动作用下，平衡状态被：在扰动作用下，平衡状态被 破坏后，无需人员操作或者仪表的干破坏后，无需人员操作或者仪表的干破坏后，无需人员操作或者仪表的干破坏后，无需人员操作或者仪表的干

10、 预，依靠自身能力能够达到新的平衡的预，依靠自身能力能够达到新的平衡的预，依靠自身能力能够达到新的平衡的预，依靠自身能力能够达到新的平衡的 过程。（过程。（过程。（过程。（a a a a）(b)(b)(b)(b) 无自衡过程无自衡过程：被控过程在扰动的作用：被控过程在扰动的作用：被控过程在扰动的作用：被控过程在扰动的作用 下，其平衡状态被破坏后，若无人员操下，其平衡状态被破坏后，若无人员操下，其平衡状态被破坏后，若无人员操下，其平衡状态被破坏后，若无人员操 作或者仪表干预，依靠自身的能力不能作或者仪表干预，依靠自身的能力不能作或者仪表干预，依靠自身的能力不能作或者仪表干预，依靠自身的能力不能

11、重新恢复平衡的过程。（重新恢复平衡的过程。（重新恢复平衡的过程。（重新恢复平衡的过程。（c c c c） 过程控制第二章 Q Q0 0 Q Q1 1 自衡过程自衡过程 Q Q0 0 Q Q1 1泵泵 无自衡过程无自衡过程 过程控制第二章 过程的数学模型还有过程的数学模型还有过程的数学模型还有过程的数学模型还有线性线性和和和和非线性非线性之分，本课程仅讨论线性（或之分，本课程仅讨论线性（或之分，本课程仅讨论线性（或之分，本课程仅讨论线性（或 者可以线性化）过程而且者可以线性化）过程而且者可以线性化）过程而且者可以线性化）过程而且只有一个被控量只有一个被控量的模型。的模型。的模型。的模型。 三.过

12、程数学模型的两种描述形式三.过程数学模型的两种描述形式 参量形式参量形式： 即用数学方程来表示（方便，描述形式有：即用数学方程来表示（方便，描述形式有：即用数学方程来表示（方便，描述形式有：即用数学方程来表示（方便，描述形式有： 微分方程、传微分方程、传微分方程、传微分方程、传 递函数、差分方程、脉冲响应函递函数、差分方程、脉冲响应函递函数、差分方程、脉冲响应函递函数、差分方程、脉冲响应函 数、状态方程等）。数、状态方程等）。数、状态方程等）。数、状态方程等）。 非参量形式非参量形式：即用曲线或数据表格来表示（形象、直观，：即用曲线或数据表格来表示（形象、直观，：即用曲线或数据表格来表示（形象

13、、直观，：即用曲线或数据表格来表示（形象、直观， 但对进行系统的设计和综合不方便）。但对进行系统的设计和综合不方便）。但对进行系统的设计和综合不方便）。但对进行系统的设计和综合不方便）。 过程控制第二章 2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 机理法建模机理法建模机理法建模机理法建模 机理法机理法：又称：又称：又称：又称数学分析法数学分析法数学分析法数学分析法或者或者或者或者理论建模法理论建模法理论建模法理论建模法，根据过程的，根据过程的，根据过程的，根据过程的 内在机理，通过静态与动态物料平衡和能量平衡内在机理，通过静态与动态物料平衡和能量平衡内在机理，通过静态与动态物料平衡和能量平

14、衡内在机理，通过静态与动态物料平衡和能量平衡 等关系用数学推导的方法求取过程的数学模型。等关系用数学推导的方法求取过程的数学模型。等关系用数学推导的方法求取过程的数学模型。等关系用数学推导的方法求取过程的数学模型。 一、单容过程的建模一、单容过程的建模 单容过程单容过程：只有一个储蓄容量的过程。：只有一个储蓄容量的过程。：只有一个储蓄容量的过程。：只有一个储蓄容量的过程。如下页图如下页图如下页图如下页图所示。所示。所示。所示。 二、多容过程的建模二、多容过程的建模 过程控制第二章 （一）自衡单容过程的建模一）自衡单容过程的建模 q q q q1 1 1 1 -流入量，控制过程的输入变量流入量，

15、控制过程的输入变量流入量，控制过程的输入变量流入量，控制过程的输入变量 q q q q2 2 2 2 -流出量，中间变量流出量，中间变量流出量，中间变量流出量，中间变量 h h h h-液位，控制过程的输出变量液位，控制过程的输出变量液位，控制过程的输出变量液位，控制过程的输出变量 模型模型：求取输入量求取输入量求取输入量求取输入量q q q q 1 1 1 1 与液位与液位与液位与液位h h h h之间的之间的之间的之间的 数学表达式。数学表达式。数学表达式。数学表达式。 根据物料动态平衡关系，容易写出根据物料动态平衡关系，容易写出根据物料动态平衡关系，容易写出根据物料动态平衡关系，容易写出

16、 写成增量形式写成增量形式写成增量形式写成增量形式 式中式中式中式中qq1 1qq2 2hh 分别为偏离某一平衡态分别为偏离某一平衡态分别为偏离某一平衡态分别为偏离某一平衡态q q10 10 q q20 20 h h0 0的增量的增量的增量的增量。 。 q q0 0 q q2 2 自衡单容过程自衡单容过程 q q1 1 L A=CA=C 2 1 h h Aqq 21 = 2.1.12.1.12.1.12.1.1 dt hd Aqq 21 = 2.1.22.1.22.1.22.1.2 过程控制第二章 设设设设q q2 2与与与与h h 呈线性关系，则呈线性关系，则呈线性关系，则呈线性关系，则 2 2 R h q = 2.1.3 2.1.3 2.1.3 2.1.3 R2 2 为阀门2的 为阀门2的阻力系数阻力系数，称为，称为液阻液阻 将式（将式（将式（将式（2.1.32