过程控制系统建模的方法共90页文档

比例 P：proportional 积分 I：integration 微分 D：derivative
➢ 比例调节器
控制律： UE（ （SS） ） Kc
u
Kc
e
1
e
kc 比例系数 比例度
➢ 比例积分调节器
控制律：
UE（ （SS） ）
K（c 1
1 ） TI S
1（1
1） TI S
u
Kc
e
Kc Ti
化情况，得到温度阶跃响应曲线如下：（曲线A：加热管的控制信 号，曲线B: 5号水箱出口温度响应曲线）
19 / 17
温度对象的矩形脉冲法建模
步骤：系统稳态时，开启加热管，将温度控制器输出定为70% 。待加 热管工作一段时间，如10min后，关闭加热管，等待系统达到新的稳 态。由此得到温度矩形脉冲响应曲线如下：（曲线D：加热管矩形脉 冲控制信号，曲线A、B、C：分别为5号水箱出口温度，6号水箱中 部温度， 6号水箱尾部温度响应曲线）
TD TS
e(k
)
e(k
1)
其中：
1
0
当e(k) e0 当e(k) e0
PID PD
或 f (e0 )
（2）过限削弱积分法
积分饱和现象：
当系统存在一个方向的偏差，PID调节器的输出由于 积分作用的不断积累而加大，从而导致执行机构达到极
限位置 xmax（如阀门开度达到最大），若调节器输出u(k)
1000
1500
2000
2500
WT 5
0.052 e170s 387s 1
WT 6中
0.064 e240s 491s 1
WT 6尾
0.050 e400s 614s 1

在电力行业中，过程控制系统可以对锅炉、汽轮机、发电 机等设备的运行状态进行实时监测和自动控制，确保电力 生产的稳定和安全。
案例分析：某火电厂采用过程控制系统对锅炉和汽轮机的 运行状态进行实时监测和自动控制，提高了电力生产的稳 定性和安全性，减少了设备故障和维护成本。
制药行业应用
制药行业是卫生要求极高的行业，过程控制系统在制药行业中主要用于药品生产的监控和调节。
新技术与新方法的引入
人工智能与机器学习
利用人工智能和机器学习技术对过程 数据进行建模和预测，提高过程控制 精度和效率。
物联网与传感器技术
通过物联网和传感器技术实现设备间 的信息共享和协同控制，提高生产过 程的实时监控和预警能力。
工业4.0与智能制造的融合
数字化工厂
通过数字化工厂实现生产过程的可视化和优化，提高生产效率和产品质量。
工业过程
被控对象，如反应炉、锅炉、 化工反应器等。
过程控制系统的历史与发展
早期发展
20世纪初，过程控制系统开始出现， 主要用于温度、压力等简单参数的监测
和控制。
当前发展
现代过程控制系统已实现高度自动化 和智能化，能够进行实时优化和故障
诊断。
中期发展
20世纪中叶，随着计算机技术的发展 ，多变量控制系统逐渐成为主流。
分类
根据控制方式、控制结构和被控 参数的不同，过程控制系统可分 为开环控制系统、闭环控制系统 、多变量控制系统等。
过程控制系统的基本组成
传感器
用于实时监测被控参数，如温 度、压力、流量等。
控制器
根据设定值与实际值的偏差， 计算出控制信号，以调整被控 参数。
执行器
根据控制器发出的控制信号， 调整工业过程的输入或输出。

数据获取和处理
大量的数据采集和处理，需要合 理的数据处理技术和数据质量控 制方法，以确保模型的有效性和 准确性。
算法和技术
不同的技术和算法，需要结合实 际问题和应用场景进行选择和优 化，以达到最佳的建模效果和性 能。
过程控制系统建模的未来
1 智能化和自适应性
通过人工智能和自适应技术，将过程控制系统建模与实时控制、决策和优化相结合，实 现更高效和更智能的系统运行。
2 深度学习和预测模型
依靠深度学习和预测模型，实现对大量数据的分析和处理，并将结果应用于控制和优化， 提高系统性能和效率。
3 云计算和协同建模
通过云计算和协同建模平台，实现模型的在线共享和基于协作的模型开发和优化。
仿真模型，实现自动控制和智能决策的
高效性和准确性。
3
水处理系统
建立水厂处理系统的数学模型，实现化 学药品控制和电气控制的联合优化，提 高水质和节约成本。
风力发电系统
建立风力发电系统的动态模型和优化模 型，提高风能利用率和稳定性，减少对 供电系统的影响。
过程控制系统建模的挑战
模型复杂性
数学模型的建立需要深入的领域 知识和技术，对于大型和复杂的 系统，模型的精确性和可靠性需 要长时间的研究。
模型建立
根据系统的特性和建模目标，选择合适的建模技 术和模型，建立数学模型和计算模型。
系统分析
对系统进行观测、数据采集、统计分析和建模假 设验证，确定模型变量和参数。
模型验证和调整
利用数据验证模型的准确性和可靠性，对模型进 行调整和改进。过程控制系统建模实例 Nhomakorabea1
机器人控制系统
2
建立工业机器人控制系统的物理模型和
建模方法和工具

12.1.11
12
二、多容过程的建模
多容过程：由多个容积和阻力件 构成的被控过程 （一）自衡双容过程的建模
1
q
1
h1
C1
自衡双容过程
2
q2
h2
q3
被控量：下水箱的液位h2 输入量：q1
C2
3
13
水箱1：
d h 1 q1 q 2 C1 dt h 1 q 2 R2
12.1.12
12.1.3
q1 q 2 A
d h dt
12.1.2
R2 为阀门2的阻力系数，称为液阻
将式（12.1.3）代入（12.1.2），得
dh 12.1.4 R 2 q1 h AR 2 dt 对（12.1.4）进行拉氏变换后得单容液位控制过程的传递函数为 L
q0
K0 H(S) R2 W0 (S) Q1 (S) 1 R 2CS T0S 1
机理法：又称数学分析法或者理论建模法，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 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
二、多容过程的建模
单容过程：只有一个储蓄容量的过程。如下页图所示。
5
（一）自衡单容过程的建模
q0
L 1
q1-----流入量，控制过程的输入变量 q2-----流出量，中间变量 h-----液位，控制过程的输出变量 模型：求取输入量q1与液位h之间的
无自衡过程：被控过程在扰动的作用下， 其平衡状态被破坏后，若无人员操作或 者仪表干预，依靠自身的能力不能重新 恢复平衡的过程。（c）
o
t y(t)
o y(t)
t (a)
o y(t) (b)