过程控制系统建模方法过程控制及其MATLAB实现（第2版）ppt课件.ppt

2 过程控制系统建模方法,本章学习内容2.1 过程控制系统建模概念2.2 机理建模方法2.3 测试建模方法,第二章过程控制系统建模方法,2.1.1 建模概念2.1.2 过程控制系统建模的两个基本方法,4,2.1过程控制系统建模概念,2.1.1 建模的概念,建立被控对象的数学模型例如，典型的RLC电路,uc,u,用方程列写的数学模型用图形表示的数学模型,输出uc,输入 u,建模需要三类主要的信息源1、要确定明确的输入量与输出量通常选一个可控性良好，对输出量影响最大的一个输入信号作为输入量，其余的输入信号则为干扰量。,2.1.1 建模的概念,2、要有先验知识在建模中，被控对象内部所进行的物理、化学过程符合已经发现的许多定理、原理及模型。在建模中必须掌握建模对象所要用到的先验知识。,3、试验数据过程的信息也能通过对对象的试验与测量而获得。合适的实验数据是验证模型和建模的重要依据。,建模需要三类主要的信息源（续）,2.1.1 建模的概念,图2.1 数学建模的信息源,用于控制的数学模型要求准确可靠，但并非越准确越好，这是因为：准确复杂实时性差影响在线运用闭环控制本身具有一定的鲁棒性，模型的误差可以视为干扰，闭环控制在某种程度上具有自动消除干扰影响的能力。所以适用性在建立数学模型时，要抓住主要因素，忽略次要因素，需要做很多近似处理，如：线性化、分布参数系统和模型降阶处理等。,2.1.1 建模的概念,关于过程系统建模的说明模型的准确性,4,2.1过程控制系统建模概念,2.1.1 建模概念2.1.2 过程控制系统建模的两个基本方法,机理法建模,过程系统建模方法,测试法建模,2.1.2 过程控制系统建模的两个基本方法,1、机理法建模根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程：物质平衡方程；能量平衡方程；动量平衡方程以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程，物性参数方程和某些设备的特性方程等。如 RLC电路，遵循基尔霍夫定理如单容水槽，遵循物料平衡关系,2.1.2 过程控制系统建模的两个基本方法,1、机理法建模（续）机理法建模的首要条件生产过程的机理为人们充分掌握，并且可以比较确切地加以数学描述机理法建模的问题烦琐模型中某些参数难以确定机理建模的准则简单、适用、满足合理的精度和实时性要求,2.1.2 过程控制系统建模的两个基本方法,2、测试法建模根据工业过程的输入和输出的实测数据进行数学处理后得到的模型。特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质，不需要深入掌握其内部机理。,2.1.2 过程控制系统建模的两个基本方法,输入,输出,二 阶 系 统,测试建模中施加扰动的必要性为了获得动态特性，必须使被研究的过程处于被激励的状态，如施加一个阶跃扰动或脉冲扰动等。测试建模中对过程机理了解的必要性测试建模较机理建模简单测试建模的分类经典辨识法和现代辨识法,2.1.2 过程控制系统建模的两个基本方法,2、测试法建模（续）,2.2机理建模方法,2.2.1 单容对象的传递函数2.2.2 具有纯迟延的单容对象特性2.2.3 无自平衡能力的单容对象特性2.2.4 多容对象的动态特性,1、单容水槽涉及变量流入量Qi调节阀开度u流出量Qo水位h研究目标分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性u h,2.2.1 单容对象的传递函数,图2.2 单容水槽,1控制阀门 2水槽 3负载阀(液阻R),各量定义如下： Qi输入水流量的稳态值( m3s)Qi 输入水流量的增量(m3s)Qo 输出水流量的稳态值(m3s)Qo 输出水流量的增量(m3s)h0 液位的稳态值(m)h液位的增量(m)u调节阀的开度( m2)A液槽横截面积(m2)R流出侧负载阀门的液阻(sm2 ),2.2.1 单容对象的传递函数,根据物料平衡关系，有：初始时刻，水槽处于平衡状态：Qo=Qi，hh0进水阀开度发生阶跃变化u时：Qi Qi +Qi h h+h Qo Qo +Qo于是有下一步设法消去Qo，并将Qi折算到u,2.2.1 单容对象的传递函数,将Qi折算到uQi 是由控制阀开度变化u引起的，当阀前后压差不变时，Qi与u成正比关系： 其中，Ku为阀门流量系数(ms),2.2.1 单容对象的传递函数,设法消去Qo流出量与液位高度的关系为：在液位稳态值 (Qo,h0) 附近线性化，得：,2.2.1 单容对象的传递函数,单容水槽的传递函数,2.2.1 单容对象的传递函数,被控参数为炉内温度T,控制量为电热丝两端电压u 由热力学知识，有： 其中， M为加热丝质量 C为比热 H为传热系数 A为传热面积,2.2.1 单容对象的传递函数,2、电加热炉,一阶惯性环节,单容对象特性分析单容对象的动态特性都是一阶惯性环节解微分方程得,2.2.1 单容对象的传递函数,单容对象特性分析（续）对时间常数T的说明T反映对象响应速度的快慢对单容水槽，T=RA对放大系数K的说明K是系统的稳态指标K大，系统的灵敏度高,2.2.1 单容对象的传递函数,2.2机理建模方法,2.2.1 单容对象的传递函数2.2.2 具有纯迟延的单容对象特性2.2.3 无自平衡能力的单容对象特性2.2.4 多容对象的动态特性,有一储水槽调节阀1距水槽有一段较长的距离。调节阀1开度变化所引起的流入量变化Qi，需要经过一段传输时间 T0，才能对水槽液位产生影响， T0 是纯延迟时间。,2.2.2 具有纯延迟的单容对象特性,纯延迟现象产生的原因是由于扰动发生的地点与测定被控参数位置有一定距离。,无延迟的单容对象的微分方程有纯延迟的单容对象的微分方程纯延迟的单容对象的传递函数,2.2.2 具有纯延迟的单容对象特性,2.2机理建模方法,2.2.1 单容对象的传递函数2.2.2 具有纯迟延的单容对象特性2.2.3 无自平衡能力的单容对象特性2.2.4 多容对象的动态特性,自平衡过程受扰后被调量能够自动地稳定在新的平衡点上的过程如，用惯性环节描述的单容对象自平衡过程是一种稳定的过程 无自平衡过程受扰后，无法自动恢复平衡的过程如，用积分环节描述的单容对象,2.2.3 无自平衡能力的单容对象特性,无自平衡能力的单容水槽,2.2.3 无自平衡能力的单容对象特性,无自平衡能力的单容对象,流出端采用容积式计量泵排出恒定的流量Qo输入流量受扰后，水位或一直上升或一直下降无法通过控制使其平衡,无自平衡能力的单容对象其动态方程为将上式改写为,无自平衡能力的单容对象的特性分析,2.2.3 无自平衡能力的单容对象特性,A 液槽截面积,响应速度,Ta响应时间,图2.9 无自平衡能力单容对象阶跃响应曲线,2.2.3 无自平衡能力的单容对象特性,无自平衡能力的单容对象的特性分析（续）,无自平衡能力的单容对象的传递函数这是一个积分环节,2.2机理建模方法,2.2.1 单容对象的传递函数2.2.2 具有纯迟延的单容对象特性2.2.3 无自平衡能力的单容对象特性2.2.4 多容对象的动态特性,具有两个水槽双容对象1）有自衡能力的双容对象2）有自衡能力的多容对象3）无自衡能力的双容对象4）相互作用的双容对象,2.2.4 多容对象的动态特性,1）具有自平衡能力的双容对象,两个串联对象的模型流入：阀门开度的微小扰动u被控参数：下水槽的水位变化 h2 u与h2间的动态方程,2.2.4 多容对象的动态特性,其中：C1、C2两液槽的容量系数；R1、R2两液槽的出水端的阻力；T1=R1C1第一个容器的时间常数； T2=R2C2第二个容器的时间常数；K=KuR2双容对象的放大系数。,2.2.4 多容对象的动态特性,具有自平衡能力的双容对象的动态特性方程,2.2.4 多容对象的动态特性,具有自平衡能力的双容对象的传递函数有纯延迟时,图2.11 具有自平衡能力的双容对象的阶跃响应,2.2.4 多容对象的动态特性,2）具有自平衡能力的多容对象,有n个相互独立的多容对象的时间常数为T1、T2.Tn，总放大系数为K，则传递函数为：,2.2.4 多容对象的动态特性,若T1=T2=Tn=T则 G(s)= 若还有纯延迟，则 G(s)=,2）具有自平衡能力的多容对象,2.2.4 多容对象的动态特性,3）无自平衡能力的双容对象,一个有自平衡能力的单容对象和一个无自平衡能力的单容对象的串联,2.2.4 多容对象的动态特性,一阶惯性环节,积分环节,由于多了一个中间液糟,作为被控参数的h2，并不能立即以最大速度变化,R1C1 + =,2.2.4 多容对象的动态特性,多容对象的动态特性方程：,令 T= R1C1 , Ta = C2 / Ku ，则得T + = 其对应的传递函数为G(s)=,2.2.4 多容对象的动态特性,有纯延迟的情况则 G(s)=,2.2.4 多容对象的动态特性,图2.13 无自平衡能力双容对象的阶跃响应曲线,2.2.4 多容对象的动态特性,4）相互作用的双容对象,两个水槽中，一水槽液位的高低会影响另一水槽液位变化，两者之间有相互作用，结果会改变水槽的等效时间常数。,2.2.4 多容对象的动态特性,图2.14 具有相互作用的双容模型,设被控参数为 输入扰动为 原来平衡时 Q0=Q1=Qi,H10=h20当输入有扰动 后,2.2.4 多容对象的动态特性,4）相互作用的双容对象,2.2.4 多容对象的动态特性,（1）,（2）,（4）,（3）,可得对应的传递函数为,2.2.4 多容对象的动态特性,4）相互作用的双容对象,若以h2为被控参数，则,2.1 过程控制系统建模概念2.2 机理建模方法2.3 测试建模方法,第二章过程控制系统建模方法,当生产过程机理不明、模型参数难以确定时，需要用过程辩识方法把数学模型估计出来。复杂的工业过程对象常由高阶非线性微分方程描述，求解困难。机理建模得到的近似数学模型也需用试验测量加以验证,2.3测试建模方法,采用试验测定的原因,2.3测试建模方法,2.3.1 对象特性的试验测定方法2.3.2 测定动态特性的时域法2.3.3 测定动态特性的频域法2.3.4 测定动态特性的统计相关法2.3.5 最小二乘法,2.3.1 对象特性的实验测定方法,试验测定的方法施加激励试验测定方法的分类 （根据加入的激励信号和结果的分析方法分）经典辨识法（非参数模型辨识）时域法频域法相关法现代辨识法最小二乘梯度校正极大似然法,由以时间或频率为自变量的试验曲线得到：1）数学模型结构 2）模型参数,首先假定模型的结构；然后极小化模型与过程间的误差准则函数以确定参数。,（1）时域法对被控对象施加阶跃输入，测绘出对象输出量随时间变化的响应曲线，或施加脉冲输入测绘出输出的脉冲响应曲线。由响应曲线的结果分析，确定出被控对象的传递函数。该方法测试设备简单，测试工作量小、应用广泛，缺点是测试精度不高。,2.3.1 对象特性的实验测定方法,（2）测定动态特性的频域方法对被控对象施加不同频率的正弦波，测出输入量与输出量的幅值比和相位差，获得对象的频率特性，来确定被控对象的传递函数。,2.3.1 对象特性的实验测定方法,（3）测定动态特性的统计相关法对被控对象施加某种随机信号或直接利用对象输入端本身存在的随机噪音进行观察和记录，可以在生产过程正常运行状态下进行，在线辨识，精度也较高。统计相关法要求积累大量数据，并要用相关仪和计算机对这些数据进行计算和处理。,2.3.1 对象特性的实验测定方法,2.3测试建模方法,2.3.1 对象特性的试验测定方法2.3.2 测定动态特性的时域法2.3.3 测定动态特性的频域法2.3.4 测定动态特性的统计相关法2.3.5 最小二乘法,在被控对象上，人为地加非周期信号后，测定被控对象的响应曲线，然后再根据响应曲线，求出被控对象的传递函数。,2.3.2 测定动态特性的时域法,图2.15 测试响应曲线的框图1被测对象 2变换器 3记录仪,1、输入信号选择及实验注意事项阶跃输入信号是时域法首选的输入信号 对象的阶跃响应曲线直观地反映对象的动态特性直接来自原始的记录曲线，无需转换实验也比较简单从响应曲线中也易于直接求出其对应的传递函数,2.3.2 测定动态特性的时域法,1、输入信号选择及实验注意事项（续）有时生产现场运行条件受到限制，不允许被控对象的被控参数有较大幅度变化，无法测出一条完整的阶跃响应曲线，可改用矩形脉冲作为输入信号，得到脉冲响应后， 再将其换成一条阶跃响应曲线。,2.3.2 测定动态特性的时域法,2.3.2 测定动态特性的时域法,图2.16 由矩形脉冲响应确定阶跃响应,设：u1(t). u2(t)作用下的阶跃响应曲线为y1(t)和y2(t),则脉冲响应曲线为:,而阶跃响应曲线为:,将时间轴按t分成n等份在 区间内在 区间内 依此类推，最后得到完整 的阶跃响应曲线。,2.3.2 测定动态特性的时域法,由矩形脉冲响应确定阶跃响应方法（续）,2、实验结果的数据处理如何将实验所获得的各种不同响应曲线进行处理，以便用一些简单的典型微分方程或传递函数来近似表达，既适合工程应用，又有足够的精度，这就是数据处理要解决的问题。,2.3.2 测定动态特性的时域法,微分方程传递函数,（含结构和参数）,典型的工业过程的传递函数（自平衡过程）：,2.3.2 测定动态特性的时域法,一阶惯性环节加纯延迟二阶惯性环节加纯延迟n个相同极点的n阶惯性环节加纯延迟,典型的工业过程的传递函数（无自平衡过程）： 其传递函数中应含有一个积分环节,2.3.2 测定动态特性的时域法,选择何种传递函数？ 测试者对被控对象的验前知识本人的经验与标准的一阶、二阶阶跃响应曲线比较选择传递函数阶次的原则：低阶数据处理简单，计算量也小，但准确程度较低高阶数据处理麻烦，计算量大，但拟合精度也较高,2.3.2 测定动态特性的时域法,以下讨论两种传递函数的参数确定方法带纯延迟的一阶惯性环节带纯延迟的二阶惯性环节,2.3.2 测定动态特性的时域法,传递函数参数的确定：1）如果传函为带纯迟延的一阶惯性环节：K的确定用参数T、的确定作图法两点法,2.3.2 测定动态特性的时域法,对于传函作图法确定参数T、简单，但误差大适用于PID参数的工程整定,2.3.2 测定动态特性的时域法,对于传函两点法确定参数T、 y(t) 归一化后的y*(t) 有,2.3.2 测定动态特性的时域法, 根据阶跃响应曲线上两点数据( (t1, y1),(t2,y2) )确定参数T、（两个未知数两个方程）,两点法结论： （2-46）,两点法确定参数T、（续）,2.3.2 测定动态特性的时域法,为了计算方便，可取，则可得（2-47）,2.3.2 测定动态特性的时域法,校验用另外两组数据检验计算出T、准确与否，即（2-48）,2.3.2 测定动态特性的时域法,传递函数参数的确定：2）如果传函为带纯延迟的二阶惯性环节增益K值仍可按式2-43计算时间纯延迟可根据阶跃响应曲线来确定；在考虑截去纯延迟部分后，阶跃响应y(t) 为无量纲形式y*(t); 根据阶跃响应曲线上两个点的数据确定T1和 T2,2.3.2 测定动态特性的时域法,2.3.2 测定动态特性的时域法,式（2-39）截去纯延迟并化为无量纲形式后，所对应的传递函数形式为G(s)= (2-49),2.3.2 测定动态特性的时域法,与上式对应的阶跃响应为或 (2-50)同样取两点，联立方程组，求出T1，T2,2.3.2 测定动态特性的时域法,2.3.2 测定动态特性的时域法,求近似解：(2-52),2.3.2 测定动态特性的时域法,表2.1列出高阶惯性对象1/(Ts+1)n 中阶数n与t1/t2比值的关系,2.3.2 测定动态特性的时域法,表中t1和t2应是y*(t)取0.4和0.8所对应的t1、t2； 中的时间常数T可由下式求得,2.3.2 测定动态特性的时域法,两点法求n阶惯性环节的时间常数的步骤：1）取阶跃响应曲线上两点,2）根据t2/t1的值确定系统的阶次和时间常数,若 一阶,若 二阶,若 根据t2/t1确定阶次n,2.3.2 测定动态特性的时域法,2.3.2 测定动态特性的时域法,拟合非自平衡过程阶跃响应曲线,用带延迟的积分环节来近似该响应曲线：,其中：,=t2,误差大,u阶跃输入幅值,（2）用式（2-42）来近似图2.19响应曲线、公式重写如下： 由响应曲线有：延迟时间= t1 t1至A之间以惯性环节作用为主故T= t2 -t1曲线稳态之后是积分环节作用为主故,2.3.2 测定动态特性的时域法,2.3.3 测定动态特性的频域法,2.3.1 对象特性的试验测定方法2.3.2 测定动态特性的时域法2.3.3 测定动态特性的频域法2.3.4 测定动态特性的统计相关法2.3.5 最小二乘法,被控对象的动态特性可用频率特性来描述 与传递函数及微分方程一样，也表征系统的运动规律。 在所研究对象的输入端加入某个频率的正弦波信号，同时记录输入和输出的稳定振荡波形，可测得该被控对象的频率特性。,2.3.3 测定动态特性的频域法,2.3.4 测定动态特性的统计相关法,2.3.1 对象特性的试验测定方法2.3.2 测定动态特性的时域法2.3.3 测定动态特性的频域法2.3.4 测定动态特性的统计相关法2.3.5 最小二乘法,原理：但输入为白噪声（一种随机信号）时，输出与输入的互相关函数 与脉冲响应函数成正比。,2.3.4 测定动态特性的统计相关法,相关分析法求对象脉冲响应函数的方框图,2.3.5 最小二乘法,2.3.1 对象特性的试验测定方法2.3.2 测定动态特性的时域法2.3.3 测定动态特性的频域法2.3.4 测定动态特性的统计相关法2.3.5 最小二乘法,最小二乘的基本思想“未知量的最可能的值，是使各次实际观测值和计算值之间的差值的平方和为最小的值”。,2.3.5 最小二乘法,设y是一根金属轴的长度，T是金属轴的温度，求轴长y和温度T之间的关系。第一步:确定y和T之间关系的数学模型的类型和结构。第二步:确定变量之间函数关系中的未知参数。,2.3.5 最小二乘法,y和T之间是线性关系。y = y0(1 + T) = a + bT y00时金属轴的长度；-膨胀系数。,2.3.5 最小二乘法,在加噪声干扰下，写成Zi= Yi（真值）+ ni(随机误差) 即Zi= a + bTi+ ni i = 1，2，,N,2.3.5 最小二乘法,根据N次（2）观测数据（Ti Zi）来估计出未知参数a和b的值。,2.3.5 最小二乘法,a和b的值确定能使观测值和模型的计算值之间误差为最小。每次观测误差为ni= zi - yi= zi- (a + b) 相加起来的误差为,2.3.5 最小二乘法,常用误差平方和作为总误差。即,2.3.5 最小二乘法,按照求极值的原理，要使J最小，只要将J分别对a和b求偏导数，令其等于零，a和b的估计值 和 满足下面的条件:,2.3.5 最小二乘法,即 和 由下列方程组所确定 （2-76）,2.3.5 最小二乘法,由式（2-76）可解出 (2-77),2.3.5 最小二乘法,假定一个变量y与一组n维变量X=（x1,x2-xn）有线性关系。即y = （2-78）,2.3.5 最小二乘法,N个参数的线性系统,2.3.5 最小二乘法,假设用 y(i)和x1(i)、x2(i)-xn(i),i =1,2,.,m 表示实测数据。可以通过m个线性方程的方程组表示数据之间的关系。 i =1,2,.,m 回归函数， 是回归系数。,2.3.5 最小二乘法,可以用矩阵形式表示如下 （2-80）,2.3.5 最小二乘法,2.3.5 最小二乘法,若m=n,根据方程通过下式求解 （2-81） 只要 即方阵X的逆存在，则能够唯一地求解 ，表示 的估计值。,2.3.5 最小二乘法,定义误差矢量 且令 现在以下列性能指标J 趋于最小，来选择 。,2.3.5 最小二乘法,可将式表示成 求J对于 的导数并令结果为零，作为确定使J为最小的估计值 的条件。 于是 （2-83）,2.3.5 最小二乘法,由此可得 能按下式求解 = 称为 的最小二乘估计量（LSE）。方程叫做正规方程，而 称为残差。,2.3.5 最小二乘法,令W为期望的加权矩阵，则加权误差性能指标成为,2.3.5 最小二乘法,W被限制为对称正定矩阵。求Jw对 的极小值，可得到加权最小二乘估计量 = 容易看出，当W选择为一个单位矩阵I时， 就简化为 。,2.3.5 最小二乘法,小结,建模的原理一般可分为机理法和测试法。 1、机理法建模就是根据所研究系统各部件的生产过程中实际发生的变化机理，写出多种有关的平衡方程，分析过程的内在联系，消去中间变量，写出输入与输出变量之间的关系。,第二章过程控制系统建模方法,2、单容对象指只有一个储能部件的对象，是由一阶传递函数所描述。该单容对象有、无平衡能力可分别用一阶惯性环节或积分环节来描述。对于有些对象中某些变量不能瞬时跟踪变化，需要一定的延时 ，因而在数学模型中以纯延时环节 来表示。,第二章过程控制系统建模方法,3、多容对象是指有多个储能部件的对象，它对应的数学模型是高阶传递函数。 4、测试法建模，它是根据过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。 它完全从外特性上测试和描述它的动态性质，可以不要求掌握其内部机理。采用测试法时注意输入信号的选择和测试数据的准确性。,第二章过程控制系统建模方法,5、测定动态特性的时域方法。 根据对被控对象施加阶跃输入，测绘出对象输出量随时间变化的响应曲线， 或施加脉冲输入测绘出输出的脉冲响应曲线。由响应曲线的结果分析，确定出被控对象的传递函数。,第二章过程控制系统建模方法,使用这种方法可首先确定被测系统的模型阶次，选择合适的标准模型类型，然后采取一种方法确定出参数。,第二章过程控制系统建模方法,6、测定动态特性的频域方法，根据BOD图的原理，对被控对象施加不同频率的正弦波，测出输入量与输出量的幅值比和相位差，从而获得对象的频率特性，来确定被控对象的传递函数。,第二章过程控制系统建模方法,7、测定动态特性的统计相关法。 对被控对象施加某种随机信号或直接利用对象输入端本身存在的随机噪音进行观察和记录，可以在生产过程正常运行状态下进行在线辨识，精度较高。,第二章过程控制系统建模方法,8、测定动态特性的辨识方法。 必须假定一种模型结构，通过极小化模型与过程之间的误差准则函数来确定模型的参数。 这类辨识方法根据不同的基本原理又可分为最小二乘法；梯度校正法；极大似然法三种类型。,第二章过程控制系统建模方法,