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1、會計學(xué)1簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 3回顧回顧2.6 2.6 2.6 2.6 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類2.7 2.7 2.7 2.7 控制系統(tǒng)的控制性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的控制性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的控制性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的控制性能指標(biāo)閉環(huán)閉環(huán)控制和控制和開環(huán)開環(huán)控制，控制，定值定值控制和控制和隨動隨動控制，控制，反饋反饋控制和控制和前饋前饋控制，控制，簡單簡單控制和控制和復(fù)雜復(fù)雜控制?？刂啤雾椥阅苤笜?biāo)單項性能指標(biāo)：衰減比，超調(diào)量和最大動態(tài)偏差，：衰減比，超調(diào)量和最大動態(tài)偏差，余差，回復(fù)時間，振蕩頻率和振蕩周期；余差，回復(fù)時間，振蕩頻率和振蕩周期；綜合性能指標(biāo)綜合性能指標(biāo)：誤

2、差平方積分指標(biāo)，絕對誤差積分：誤差平方積分指標(biāo)，絕對誤差積分指標(biāo)，時間乘絕對誤差積分指標(biāo)指標(biāo)，時間乘絕對誤差積分指標(biāo)第1頁/共63頁回顧回顧2.8 2.8 2.8 2.8 過程動態(tài)特性和動態(tài)建模過程動態(tài)特性和動態(tài)建模過程動態(tài)特性和動態(tài)建模過程動態(tài)特性和動態(tài)建模l動態(tài)數(shù)學(xué)模型的作用和要求動態(tài)數(shù)學(xué)模型的作用和要求l數(shù)學(xué)模型的分類數(shù)學(xué)模型的分類l建立數(shù)學(xué)模型的途徑建立數(shù)學(xué)模型的途徑簡單、正確、可靠簡單、正確、可靠線性與非線性、動態(tài)與靜態(tài)、隨機與確定、線性與非線性、動態(tài)與靜態(tài)、隨機與確定、集中參數(shù)與分布參數(shù)、連續(xù)與離散、定常與時變集中參數(shù)與分布參數(shù)、連續(xù)與離散、定常與時變機理模型機理模型(白箱白箱)、

3、經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、?jīng)驗?zāi)Ｐ?黑箱黑箱)、機理和經(jīng)驗、機理和經(jīng)驗(灰箱灰箱)第2頁/共63頁第二章第二章 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)2.8 2.8 過程動態(tài)特性與動態(tài)建模過程動態(tài)特性與動態(tài)建模l建立數(shù)學(xué)模型的途徑建立數(shù)學(xué)模型的途徑機理建模（白箱）機理建模（白箱）從機理出發(fā)，也就是從過程內(nèi)在的物理和從機理出發(fā)，也就是從過程內(nèi)在的物理和化學(xué)規(guī)律出發(fā)建立穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的工作?；瘜W(xué)規(guī)律出發(fā)建立穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的工作。第3頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l建立數(shù)學(xué)模型的途徑建立數(shù)學(xué)模型的途徑經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ê谙洌┙?jīng)驗?zāi)Ｐ停ê谙洌σ淹懂a(chǎn)的過程，通過測試或依靠積累的操作對已投產(chǎn)的過

4、程，通過測試或依靠積累的操作數(shù)據(jù)，用數(shù)學(xué)方法回歸，得到經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。?shù)據(jù)，用數(shù)學(xué)方法回歸，得到經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。由測試數(shù)據(jù)確定模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的建模方法稱為由測試數(shù)據(jù)確定模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的建模方法稱為系統(tǒng)辨識方法系統(tǒng)辨識方法；系統(tǒng)辨識方法分為；系統(tǒng)辨識方法分為非參數(shù)模型辨識非參數(shù)模型辨識和和參參數(shù)模型辨識數(shù)模型辨識。在已定模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上由測試數(shù)據(jù)確定。在已定模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上由測試數(shù)據(jù)確定參數(shù)的方法為參數(shù)的方法為參數(shù)估計參數(shù)估計。第4頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l建立數(shù)學(xué)模型的途徑建立數(shù)學(xué)模型的途徑機理模型的優(yōu)點機理模型的優(yōu)點：1)可以充分利用已知的過程

5、知識，從事物的本質(zhì)上去認(rèn)可以充分利用已知的過程知識，從事物的本質(zhì)上去認(rèn)識外部特性；識外部特性；2)可以驗前得出，在流程和設(shè)備的設(shè)計階段即能求??；可以驗前得出，在流程和設(shè)備的設(shè)計階段即能求取；3)有較大的適用范圍，操作條件變化可以類推，即使處有較大的適用范圍，操作條件變化可以類推，即使處理的物料有所改變，只要已知其物理化學(xué)參數(shù)，仍不難理的物料有所改變，只要已知其物理化學(xué)參數(shù)，仍不難計算。計算。第5頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l建立數(shù)學(xué)模型的途徑建立數(shù)學(xué)模型的途徑機理模型的缺點機理模型的缺點：1)對于復(fù)雜的過程，人們對基本方程的某些參數(shù)不完對于復(fù)

6、雜的過程，人們對基本方程的某些參數(shù)不完全掌握，很難預(yù)先精確估計；全掌握，很難預(yù)先精確估計；2)如不經(jīng)過輸入輸出數(shù)據(jù)的驗證，難以判斷其正確性。如不經(jīng)過輸入輸出數(shù)據(jù)的驗證，難以判斷其正確性。第6頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l建立數(shù)學(xué)模型的途徑建立數(shù)學(xué)模型的途徑機理建模和經(jīng)驗建模相結(jié)合（灰箱）：機理建模和經(jīng)驗建模相結(jié)合（灰箱）：1)1)主體上按照機理方程建模，但對其中的部分參數(shù)通主體上按照機理方程建模，但對其中的部分參數(shù)通過實測得到；過實測得到；2)2)通過機理分析，把自變量適當(dāng)組合，得出數(shù)學(xué)模型通過機理分析，把自變量適當(dāng)組合，得出數(shù)學(xué)模型的函數(shù)形

7、式；的函數(shù)形式；3)3)由機理出發(fā)，通過計算或仿真，得到大量的輸入輸由機理出發(fā)，通過計算或仿真，得到大量的輸入輸出數(shù)據(jù)，再用回歸方法得出簡化模型。出數(shù)據(jù)，再用回歸方法得出簡化模型。第7頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l數(shù)學(xué)模型的用途數(shù)學(xué)模型的用途控制方案的確定控制方案的確定 方案的確定與工藝要求及操作情況有關(guān)，如方案的確定與工藝要求及操作情況有關(guān)，如能對過程的數(shù)學(xué)模型有所了解，對這一選擇可起能對過程的數(shù)學(xué)模型有所了解，對這一選擇可起到定量剖析的作用。到定量剖析的作用。第8頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)

8、建模l數(shù)學(xué)模型的用途數(shù)學(xué)模型的用途控制算法的設(shè)計控制算法的設(shè)計 -PID控制控制-前饋控制前饋控制-Smith預(yù)估預(yù)估-內(nèi)?？刂苾?nèi)?？刂?解耦控制解耦控制第9頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l數(shù)學(xué)模型的用途數(shù)學(xué)模型的用途生產(chǎn)裝置的故障診斷生產(chǎn)裝置的故障診斷 通過數(shù)學(xué)模型預(yù)報生產(chǎn)過程的故障，分析故通過數(shù)學(xué)模型預(yù)報生產(chǎn)過程的故障，分析故障原因，對過程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測等。障原因，對過程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測等。第10頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l數(shù)學(xué)模型的用途數(shù)學(xué)模型的用途用于工藝運行和設(shè)計用于工藝運行和設(shè)計 在實

9、際生產(chǎn)中，一套生產(chǎn)裝置的合理設(shè)計或?qū)嶋H在實際生產(chǎn)中，一套生產(chǎn)裝置的合理設(shè)計或?qū)嶋H生產(chǎn)裝置的優(yōu)化操作，以及生產(chǎn)裝置生產(chǎn)能力的預(yù)測生產(chǎn)裝置的優(yōu)化操作，以及生產(chǎn)裝置生產(chǎn)能力的預(yù)測或評價等均離不開過程模型?；蛟u價等均離不開過程模型。第11頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型例：串接液位儲槽例：串接液位儲槽qin為流入儲槽為流入儲槽1的體積流量；的體積流量；qm為流入儲槽為流入儲槽2的體積流量；的體積流量；qout為流出儲槽為流出儲槽2的體積流量；的體積流量；A1為儲槽為儲槽1的橫截面積；的橫截面積；A2為儲槽為儲槽2的橫

10、截面積；的橫截面積；h1為儲槽為儲槽1的液位高度；的液位高度；h2為儲槽為儲槽2的液位高度；的液位高度；R1為流出閥為流出閥1阻力；阻力；R2為流出閥為流出閥2阻力；阻力；第12頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型過程內(nèi)在機理的表述過程內(nèi)在機理的表述-物料平衡關(guān)系物料平衡關(guān)系單位時間內(nèi)單位時間內(nèi)進(jìn)入進(jìn)入系統(tǒng)的物料量（或能量）系統(tǒng)的物料量（或能量）-單位時間單位時間內(nèi)流內(nèi)流出出系統(tǒng)的物料量（或能量）系統(tǒng)的物料量（或能量）=系統(tǒng)內(nèi)物料（或能量）系統(tǒng)內(nèi)物料（或能量）儲藏儲藏量的變化率量的變化率第13頁/共63頁2.8

11、2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型儲槽儲槽1的物料平衡關(guān)系的物料平衡關(guān)系設(shè)設(shè)V1 表示儲槽表示儲槽1的液體體積，則根據(jù)物料平衡關(guān)系，可得到，的液體體積，則根據(jù)物料平衡關(guān)系，可得到，第14頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型輸入流量輸入流量qin與液位無關(guān)與液位無關(guān)1是紊流狀態(tài)下的節(jié)流系數(shù)是紊流狀態(tài)下的節(jié)流系數(shù) f1 是調(diào)節(jié)閥的開啟面積是調(diào)節(jié)閥的開啟面積第15頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸

12、出模型過程的輸入輸出模型儲槽儲槽2的物料平衡關(guān)系的物料平衡關(guān)系第16頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型儲槽儲槽1和和2的物料平衡關(guān)系的物料平衡關(guān)系 這兩個式子是非線性微分方這兩個式子是非線性微分方程，需將程，需將非線性微分方程線性非線性微分方程線性化化，從而便于計算和分析。，從而便于計算和分析。第17頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型線性化原理線性化原理非線性項非線性項將非線性項展開成泰勒級數(shù)將非線性項展開成泰勒級數(shù)第18頁/共

13、63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型線性化原理線性化原理略去高于一次小增量略去高于一次小增量 的項，則有的項，則有由此可得，由此可得，第19頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型對儲槽對儲槽1 1的線性化的線性化第20頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型對儲槽對儲槽1 1的線性化的線性化第21頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和

14、過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型對儲槽對儲槽2 2的線性化的線性化第22頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型對儲槽對儲槽2 2的線性化的線性化第23頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型對儲槽對儲槽2 2的線性化的線性化第24頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模阻尼阻尼容量系數(shù)容量系數(shù)第25頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模第2

15、6頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模時間常數(shù)時間常數(shù)第27頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型例：串接液位儲槽例：串接液位儲槽(1)建立儲槽建立儲槽1、2模模型型第28頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型（2）對上述兩個非線性方程進(jìn)行線性化）對上述兩個非線性方程進(jìn)行線性化第29頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸

16、出模型（3）寫成標(biāo)準(zhǔn)形式）寫成標(biāo)準(zhǔn)形式第30頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型（4）消去中間變量）消去中間變量（5）轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)形式）轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)形式二階線性微分方程二階線性微分方程第31頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的輸入輸出模型過程的輸入輸出模型第32頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的動態(tài)特性分析過程的動態(tài)特性分析階躍輸入信號階躍輸入信號(R為常數(shù)，當(dāng)為常數(shù)，當(dāng)R=1時，稱為單位階躍信號時，稱為單位階躍

17、信號)第33頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的動態(tài)特性分析過程的動態(tài)特性分析一階對象的動態(tài)過程一階對象的動態(tài)過程 第34頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的動態(tài)特性分析過程的動態(tài)特性分析一階對象的動態(tài)響應(yīng)一階對象的動態(tài)響應(yīng) 第35頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的動態(tài)特性分析過程的動態(tài)特性分析二階對象的動態(tài)過程二階對象的動態(tài)過程(0稱為系統(tǒng)稱為系統(tǒng)的自然頻率，的自然頻率，稱為衰減系數(shù)或阻尼系數(shù)）稱為衰減系數(shù)或阻尼系數(shù)）第36頁/共63頁

18、2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的動態(tài)特性分析過程的動態(tài)特性分析二階對象的動態(tài)過程二階對象的動態(tài)過程（階躍輸入下）（階躍輸入下）第37頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的動態(tài)特性分析過程的動態(tài)特性分析二階對象的動態(tài)過程二階對象的動態(tài)過程（階躍輸入下）（階躍輸入下）1 1當(dāng)當(dāng)11時時第38頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的動態(tài)特性分析過程的動態(tài)特性分析二階對象的動態(tài)過程二階對象的動態(tài)過程（階躍輸入下）（階躍輸入下）2 2當(dāng)當(dāng)=1 1時時第39頁/共6

19、3頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l過程的動態(tài)特性分析過程的動態(tài)特性分析二階對象的動態(tài)過程二階對象的動態(tài)過程（階躍輸入下）（階躍輸入下）3 3當(dāng)當(dāng)001(0.3-0.5)(0.3-0.5)時，較難控制。時，較難控制。第56頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l動態(tài)特性對控制性能指標(biāo)的影響動態(tài)特性對控制性能指標(biāo)的影響純滯后時間的影響純滯后時間的影響 干擾通道干擾通道f 的影響的影響：無影響。：無影響。第57頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l動態(tài)特性對控制性能指標(biāo)的影響

20、動態(tài)特性對控制性能指標(biāo)的影響擾動進(jìn)入系統(tǒng)位置的影響擾動進(jìn)入系統(tǒng)位置的影響 干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置離操縱變量越近，擾動對系統(tǒng)干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置離操縱變量越近，擾動對系統(tǒng)輸出影響越小，干擾更容易被克服，控制質(zhì)量提高。輸出影響越小，干擾更容易被克服，控制質(zhì)量提高。第58頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l動態(tài)特性對控制性能指標(biāo)的影響動態(tài)特性對控制性能指標(biāo)的影響被控變量的選擇：被控變量的選擇：-根據(jù)工藝要求選擇；根據(jù)工藝要求選擇；-控制通道增益控制通道增益K Ko o盡量大；盡量大；-過程的過程的o o/T To o盡量?。槐M量?。?過程的過程的T To o/

21、T Tf f盡量??；盡量??；-擾動盡量接近操縱變量。擾動盡量接近操縱變量。第59頁/共63頁2.8 2.8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模l動態(tài)特性對控制性能指標(biāo)的影響動態(tài)特性對控制性能指標(biāo)的影響操縱變量的選擇：操縱變量的選擇：-根據(jù)工藝選擇對被控變量影響大的變量（根據(jù)工藝選擇對被控變量影響大的變量（Ko盡量大）盡量大）-過程的過程的o/To盡量??；盡量?。?過程的過程的To/Tf 盡量?。槐M量??；-使過程的使過程的Kf F盡量小。盡量小。第60頁/共63頁l動態(tài)特性對控制性能指標(biāo)的影響動態(tài)特性對控制性能指標(biāo)的影響小結(jié)小結(jié)l建立數(shù)學(xué)模型的途徑建立數(shù)學(xué)模型的途徑2.8 2.

22、8 過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模過程動態(tài)特性和過程動態(tài)建模機理建模，經(jīng)驗建模；（舉例）機理建模，經(jīng)驗建模；（舉例）l過程的動態(tài)特性分析過程的動態(tài)特性分析階躍輸入條件下，過程響應(yīng)的特性；階躍輸入條件下，過程響應(yīng)的特性；l動態(tài)過程的分類動態(tài)過程的分類自衡非振蕩，無自衡非振蕩，衰減振蕩，反向特性；自衡非振蕩，無自衡非振蕩，衰減振蕩，反向特性；增益，時間常數(shù)，時滯，擾動，操縱變量，被控變量增益，時間常數(shù)，時滯，擾動，操縱變量，被控變量第61頁/共63頁課堂練習(xí)課堂練習(xí)（A）（B）（C）（D）觀察下面四個在階躍作用下的響應(yīng)觀察下面四個在階躍作用下的響應(yīng)曲線，分別寫出各圖所屬的動態(tài)過曲線，分別寫出各圖所屬的動態(tài)過程類型。程類型。第62頁/共63頁