被控对象的数学模型课件.pptxVIP

被控对象的数学模型课件.pptx

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被控对象的数学模型 第一节 生产对象特点及其描述方法生产对象的特点:大,复杂,时间常数大.滞后大,具有非线性分布参数和时变特性,建模困难。对象特性:对象的内在规律。研究对象特性:用数学的方法来描述对象的输入量与输出量之间的函数关系,即数学模型。对象的数学模型分为静态数学模型和动态数学模型特性。静态数学模型是描述对象在静态时的输入量与输出量之间的关系;动态数学模型是描述对象在输入量改变以后输出量变化情况。 输入量:干扰和控制作用看作对象的输入量。通道:由对象的输入变量至输出变量的信号联系。(通道不同,特性不同)控制通道:控制作用至被控变量的信号联系。 ?干扰通道:干扰作用至被控变量的信号联系。 研究对象特性框图干扰作用和控制作用都是引起被控变量变化的因素。 用于控制的数学模型和用于工艺的数学模型二者的区别:相同之处:基于同样的物理和化学规律,原始方程可能相同。区别:用于控制的数学模型是在工艺流程和设备尺寸等确定的情况下,研究对象的输入变量如何影响输出变量的,研究的目的是为了使所设计的控制系统达到更好的控制效果。用于工艺的数学模型(一般是静态)是在产品规格和产量确定的情况下,通过模型的计算,来确定设备的结构、尺寸、工艺流程和某些工艺条件,以达到最好的经济效益。 数学模型的主要形式:非参数模型和参数模型非参数模型:描述对象在受到控制作用或干扰作用后被控变量的变化规律,用曲线或数据表格等来表示的。特点是形象、清晰,比较容易看出其定性的特征。根据输入形式的不同,主要有:阶跃反应曲线、脉冲反应曲线、矩形脉冲反应曲线。 参数模型:用数字方程式来表示的。描述对象输入、输出关系的数学表达式:微分方程式、偏微分方程式、状态方程式,对于线性的集中参数对象,可用常系数线性微分方程来描述:any(n)(t)+an-1y(n-1)(t)+…+a1y’(t)+a0y(t)=x(t) 被控对象的特性对控制质量的影响很大,是确定控制方案的主要依据;只有先了解对象的特性,即内在规律,才能根据工艺对控制质量的要求,设计合理的控制系统,选择合适的被控变量和操纵变量、选择合适的测量元件及控制器。描述对象特性的主要方法数学模型法——机理建模和实验建模???? 第二节、对象数学模型的建立一、建模目的(1).控制系统的方案设计:深入和全面地了解对象特性,是设计控制系统的基础。(2).控制系统的调试和控制器参数的确定:为了控制系统安全投运并进行必要的调试,必须了解被控对象的特性。(3).制定工业过程操作优化方案:操作优化在不增加投资的情况下,获得可观的经济效益。(4).新型控制方案及控制算法的确定:用计算机构成新型控制系统时,离不开被控对象的数学模型。(5).计算机仿真与过程培训系统:利用仿真技术,使操作人员在计算机上模仿实际的操作,安全、高效地培训工作人员。(6).设计工业过程的故障检测与诊断系统:利用开发的数学模型可及时发现工作过程中控制系统的故障及其原因,并提供正确的解决途径。 二、机理建模根据被研究对象或生产过程的内部机理,写出各种有关平衡方程,如物料平衡方程.能量平衡方程.动量平衡方程及化学反应规律.电路基本定律等,获得对象的数学模型。机理建模的方法:1.一阶对象:用一阶微分方程式描述的对象,为一阶对象。(1).水槽对象:对象的输入量是流入水槽的流量Q1;液位高度h为对象的输出量;Q2随液位高度变化,是中间变量;阀门2相当于负载,RS为出水阀的阻力系数;水槽横截面积为A; Q2=h/ RS 。静态时:流入水槽的流量Q1等于流出水槽的流量Q2,系统处于平衡状态,即液位h保持不变。 动态时:Q1变化了,不再等于Q2,则h就变化。设Q1. Q2.h为偏离初始平衡状态的变化值。找出h与Q1的关系。根据物料平衡的原则:Q1dt=Adh+Q2dt又因: Q2=h/ RS 代入上式中, 整理得: 令 T=RSA T称为时间常数;k=Rs称为放大系数。则有:此方程是一阶常系数微分方程。 (2).RC电路: ei为对象的输入量, eo为输出量, i为流过电阻R的电流,即中间变量。根据基尔霍夫定律有: 消去中间变量i得:令 T=RC, K=1,则有:上式也是一阶常系数微分方程。 2.积分对象积分对象:对象的输出参数与输入参数对时间的积分成比例关系,称积分对象。如左图液体贮槽,Q0为常数。有:Qidt=Adh 则有: 具有积分特性。 3.二阶对象当对象的动态特性可用二阶微分方程来描述时,为二阶对象。(1).串

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