CN101976046A

CN101976046A - 一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法

Info

Publication number: CN101976046A
Application number: CN2010105032388A
Authority: CN
Inventors: 纪兴权
Original assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Current assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2030-10-12
Also published as: CN101976046B

Abstract

一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，对生产被控工艺过程将分布参数用集急化处理方法得到集中参数数学模型或用于教学实验，包括如下方法：建立大化工中流体工艺过程动态特性，水流体动力学透明水槽，即黑箱子的模拟方法，及工艺过程纯滞后特性模拟方法、工艺过程非线性特性模拟方法、工艺过程开环不稳定特性模拟方法、工艺过程多变量耦合动态特性模拟方法、随机过程动态特性模拟方法、工艺过程参数测量变送单元信号传输过程滞后的模拟方法。本发明的技术可以对大化工流体工艺的生产装置、设备和机器等工艺过程、动态特性物理模拟。通过组合构成各种对象特性灵活、方便，可以实现单变、多变量的各种对象特性、控制方案的实验。

Description

一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法

技术领域

本发明涉及一种控制用动态特性的实现方法，特别是涉及一种过程控制实验装置中被控对象和测量变送过程动态特性模拟方法。可模拟大化工生产中流体工艺过程。

背景技术

目前，过程控制实验装置多以水或水的水槽、电锅炉、换热器等和电能为介质模拟方法，模拟单元间有管路、分数布量，占地面积大，动态特性类型很少，同时，被控对象数量难以实现多输入——多输出过程及有来会过程的实验，不易满足研究生、教师科研实验。有的被控对象特性，学生不易建模，不利于对常用专业术语概念的实质加深认识。过程控制装置有很多类型和规模实用型。控制手段已普遍使用各种计算机、工控机、DCS、FCS等控制系统，但在装置中除控制系统外，都有很多不足，诸如：一个实验装置能模拟的动态特性的数量少、类型少，仅有几个常用的典型的一、二、三阶，容量滞后特性，而且几乎不能随时得到希望需要的规定有具体数值的K、T、て等。动态特性中大纯滞后、各种非线性特性几乎没有或单一，同样也不易实现可调整、改变有具体要求的功能。控制回路少，同时有三个控制回路以上的几乎没有，仅能做单回路、串级、前馈——反馈、比值、选择性等几种控制方案。不能算作实验平台，满足不了新时期研究实验教学和科研需要。为得到多种工艺参数控制实验装置，追求所谓热工四个蚕食实验，采用多种模拟手段和方法，如有电锅、电炉、电扇、加热箱、换热器及热水贮槽等附属设备，结构复杂。殊不知一种工艺设备的模拟方法，如换热器作控制对象或对象中一部分，不能代表生产中的各种塔、釜、炉、锅、窑等动态特性，缺乏普适性，而且用热能对象，实验前准备时间长，实验时开车时间也长。一台装置上测变单元种类多，如，差压变送器，电压力变送器、电磁电流量计、涡轮流量计等，且多为实验室型。一台仪表问题，耽误学生做实验，投资大，可维护性差。有的被控对象建模麻烦，有的院校实验前不要求学生建模，这对加深学生对专业常用概念的理解和运用不利。如K、T、て、w等指的是控制对象中什么数值，大小由什么决定；可控性可观性中的不完全可控或可观等，在被控对象中怎样体现。一套装置一般只一组学生做实验，且3人。装置占地面积大，装置套数多时(一般十多套)，实验室显得很拥挤，组间影响大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过程控制实验装置中被控对象和测量变送过程动态特性模拟方法。本方法只以水为介质的有孔水槽为单元无管路集急化处理，如同生产装置、设备、机器中工艺过程动态特性一样。本方法安全卫生，节能效果好，一个实验装置可能有多组学生同时在不互干扰的做实验，无拥挤现象。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，对生产被控工艺过程将分布参数用集急化处理方法得到集中参数数学模型或用于教学实验，包括如下方法：建立大化工中流体工艺过程动态特性，水流体动力学透明水槽，即黑箱子的模拟方法，及工艺过程纯滞后特性模拟方法、工艺过程非线性特性模拟方法、工艺过程开环不稳定特性模拟方法、工艺过程多变量耦合动态特性模拟方法、随机过程动态特性模拟方法、工艺过程参数测量变送单元信号传输过程滞后的模拟方法。

所述的一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，其所述建立大化工中流体工艺过程动态特性，水流体动力学透明水槽，即黑箱子的模拟方法，从控制角度，对生产装置、设备和机器中的工艺过程，无论是建模或辨识视为只有输入和输出的单变量或多变量的黑箱子。

所述的一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，其所述工艺过程纯滞后特性模拟方法，纯滞后产生的办法是在有分布阻力的水槽中，常温水在管路中流动不可压缩，不能有纯滞后现象。

所述的一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，其所述工艺过程非线性特性模拟方法，根据水槽建模中水槽的孔径和截面积决定静态增益的因素，随着液位高度变化自动改变水槽有效截面积大小。

所述的一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，其所述工艺过程开环不稳定特性模拟方法，改变流出水槽管路直径大小和长短，或直接插入槽底为振荡特性，或选择出口水泵类型为积分特性。

所述的一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，其所述工艺过程多变量耦合动态特性模拟方法，组合出不同类型、不同耦合程度的多输入至多输出控制对象，控制时用前馈或解耦办法。

所述的一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，其所述随机过程动态特性模拟方法，根据水槽流出口接有长短、直径不同水流的流动情况，液位高度波动引起出水流量的相应波动，采用改变出水管直径大小来实现随机过程特性。

所述的一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，其所述工艺过程参数测量变送单元信号传输过程滞后的模拟方法，反映测量变送滞后的模拟部件是直接加在常用基本环节，中部和下部水槽的外侧面小水槽，两者直接相通。

本发明的优点与效果是：

1.本发明由很多水槽组成的透明“黑箱子”，原理简单、直观，实现加容易，成本低廉。通过阻、通、断的办法可以得到很多特性相同或不同的各种类型的动态特性，改变水槽的出口孔径和槽横截面积的办法可以改变、调整时间常数、静态增益等数值长短与大小。非常灵活方便，极易实现数值准确的各种要求。同时“黑箱子”更能形象表达出虽然有数个被控对象，但它们都在一个整体的“生产装置、设备、机器”中，更能反映工程实际。学生和教师搞实验、科研创造了非常有利的硬件条件，也为对现有的实验室盖章提供经济性特好的物理模拟技术。本发明可以预见，它是过程控制实验装置被控对象模拟实现的发展方向。

2.本发明占地面积大为缩小，为学生做实验提供便利的活动空间。本发明做的实验装置与市售有同样功能的相比占地面积可小7倍左右。

3.本发明安全、节电、干净卫生。本发明实验介质为单一的水，不用功率较大的电炉或电锅。

4.本发明用透明水槽实现非线性、纯滞后等的材料都是塑料的，非常容易加工制作且节省材料。与其他模拟办法相比投资费用很低。同时管路大量减少，使装置结构简捷，了解其原理及结构更清晰。

5.本发明由于水槽数量多，做前馈——反馈控制实验时可以实现干扰通道特性与控制通道相同或不同。特性是不同时，使前馈控制器不能完全补偿，控制效果变差，甚至很差，启发学生去改进设计。由于“黑箱子”中有很多被控对象，实现多输入——多输出耦合控制系统变得很容易。在做等级控制系统实验时，本装置可容易实现副对象时间常数与主对象相同或大，使控制质量与单回路的差不多，升值还不如。启发学生设计时如何选择副对象，或用其他控制方案。

附图说明

图1为本发明的过程控制流程图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行详细说明。

本发明根据工艺过程动态学理论，数学表达形式相同或相似理论和流体动力学原理，对生产被控工艺过程将分布参数用集急化处理方法得到集中参数数学模型，或用于教学实验，或用于研究。本发明是用等面积开口方形下部有孔的透明塑料水槽作为基本单元对数学模型局物现实现。水槽的有效容积大小代表工艺过程机理中的“容”，下部出口孔径大小代表其中的“阻”，一个水槽即为一个“阻容”环节，其传递函数是一阶特性K/(TS+1)。进水流量或出口水流量代表过程的输入变量，液位高度代表被控工艺参数(如，温度、压力、液位、物性、化学性流量等)。不同阶数的数学模型就用相同数量的水槽进行组合。用这种方法模拟形象、直观、简单、易理解，概念清晰，建模容易。

下面对本发明的方法做进一步详细的表述：

本发明大化工中流体工艺过程动态特性，水流体动力学透明水槽“黑箱子”模拟技术方法。

从控制角度看，生产装置、设备和机器等中的工艺过程，无论是建模或辨识都可以把它们看成只有输入和输出的单变量或多变量的“黑箱子”。本发明突破传统的各水槽间有管路为无管路的“黑箱子”，它更能反映出工艺过程本身是一个整体的概念，一个“黑箱子”就代表一个生产装置、设备和机器，一个车间，一个工做，乃其一个工厂的各个控制对象。本发明实验装置有上中下三层共12个水槽构成，槽间上、下、左右可直通(液阻R＝0)有阻通(R≠0)，或断开(R＝∞)，如图。若横向间均不通，只上下通，则可组成四个三阶自衡单向作用的被控对象。若上层直通R＝0，就变成二阶自衡特性，若上、中层直通，下层(R为零)就为一个特性。这就是改变了传统的一个主水管，三个或二个支管路进各层水槽的办法。同理，软纵向槽间不通，而横向间仅两个两个为“阻”通，则组成的是两个自衡有回作用有一个零点的二阶特性。同理，若三个槽依次相连通，水从备后槽流出，则可得到有两个零点的三阶特性。由此可知，通过各水槽间的阻、通、断等不同组合办法及出、入水流量管路的选择，即可构成不同特性的被控对象，或自衡或无自衡等特性。使用时灵活、方便、快捷，而且若有需要特定数值的时间常数、静态增益等，可在短时间内准确地实现。时间常数T₁＝0～1分钟，T₂＝0～1.5分钟，T₃＝0～3分钟。

本发明工艺过程纯滞后特性模拟技术方法。

常温水在管路中流动是不可压缩的，不能有纯滞后现象。本发明原理是根据水有粘度，在流动过程中存在内、外摩擦力，如同江河上游下暴雨造成洪水，传到下游有时间差，这就是纯滞后概念的含义。本发明纯滞后产生的办法是在有分布阻力的水槽中实现的，可实现0～2分钟。(如需要时间可延长)

本发明工艺过程非线性特性模拟技术方法。

工业中工艺过程的非线性特性是普遍存在的。都知道本技术中的水槽本身特性就是非线的，建模时做线性处理在工作点附近为线性的。若满足特定需要的非线性特性，根据水槽建模中知道水槽的孔径和截面积都是决定静态增益的因素。本发明是根据随着液位高度变化自动改变水槽有效截面积大小的办法实现的，这种办法实现的非线性，可以做到输入升、降时同一工作点上增益不相同现象，但不用更换水槽。根据需要可实现各种非线性特性，而且灵活方便、准确。

本发明工艺过程开环不稳定特性模拟技术方法。

一般水槽会有自衡作用开环稳定的动态特性，若实现开环振荡，或有零点、正极点特性，本发明是用改变流出水槽管路直径大小和长短，或直接插入槽底为振荡特性，或选择出口水泵类型为积分特性实现的。

本发明工艺过程多变量耦合动态特性模拟技术方法。

在一个生产装置、设备或机器上设计多个控制回路时，由于工艺过程机理本身连续的，有相互影响，有耦合，或单边相关，或多边相关的，控制时就要用前馈或解耦办法。本发明是根据“黑箱子”中的各水槽间有直通、有阻互通，有可断开，水槽数量较多，故此可组合出不同类型、不同耦合程度的多输入——多输出控制对象，而且灵活方便耦合程度改变简单。

本发明随机过程动态特性模拟技术方法。

在大化工中有不少工艺过程动态特性从数学角度看是不确定的随机的，模拟出这种特性后可用于研究它们的控制方法，或作预测诊断研究。

本发明原理是根据水槽流出口接有长短、直径不同的管子时，水流的流动情况、状态与流量大小有关，即与液位高度有关，液位高度波动引起出水流量的相应波动。有时就会出现液位不稳定的难控现象。本发明是用改变出水管直径大小来实现随机过程特性的。

本发明工艺过程参数测量变送单元信号传输过程滞后的模拟技术方法。

工艺过程参数如温度、物性、PH值等有时滞后相对很大，这在实验、研究中应当考虑是否要加上去，否则实验结果会与工程相差很大。从控制理论中知道，原因是这个环节不在控制系统方块图的前向通道，而在反向通道上。本发明反映测量变送滞后的模拟部件是直接加在常用基本环节——中部和下部各水槽的外侧面小水槽，两者直接相通。小水槽设有阻力大小可调的调整螺丝。滞后时间长短连续可调，范围为0～3分钟。小水槽共有8个。

同时，这部分还能克服实验过程中，由于上槽和水流到下槽液面冲击引起波动造成的噪声影响。

Claims

1.一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，对生产被控工艺过程将分布参数用集急化处理方法得到集中参数数学模型或用于教学实验，其特征在于包括如下方法：建立大化工中流体工艺过程动态特性，水流体动力学透明水槽，即黑箱子的模拟方法，及工艺过程纯滞后特性模拟方法、工艺过程非线性特性模拟方法、工艺过程开环不稳定特性模拟方法、工艺过程多变量耦合动态特性模拟方法、随机过程动态特性模拟方法、工艺过程参数测量变送单元信号传输过程滞后的模拟方法。

2.根据权利要求1所述的一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，其特征在于所述建立大化工中流体工艺过程动态特性，水流体动力学透明水槽，即黑箱子的模拟方法，从控制角度，对生产装置、设备和机器中的工艺过程，无论是建模或辨识视为只有输入和输出的单变量或多变量的黑箱子。

3.根据权利要求1所述的一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，其特征在于所述工艺过程纯滞后特性模拟方法，纯滞后产生的办法是在有分布阻力的水槽中，常温水在管路中流动不可压缩，不能有纯滞后现象。

4.根据权利要求1所述的一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，其特征在于所述工艺过程非线性特性模拟方法，根据水槽建模中水槽的孔径和截面积决定静态增益的因素，随着液位高度变化自动改变水槽有效截面积大小。

5.根据权利要求1所述的一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，其特征在于所述工艺过程开环不稳定特性模拟方法，改变流出水槽管路直径大小和长短，或直接插入槽底为振荡特性，或选择出口水泵类型为积分特性。

6.根据权利要求1所述的一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，其特征在于所述工艺过程多变量耦合动态特性模拟方法，组合出不同类型、不同耦合程度的多输入至多输出控制对象，控制时用前馈或解耦办法。

7.根据权利要求1所述的一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，其特征在于所述随机过程动态特性模拟方法，根据水槽流出口接有长短、直径不同水流的流动情况，液位高度波动引起出水流量的相应波动，采用改变出水管直径大小来实现随机过程特性。

8.根据权利要求1所述的一种对被控对象和测量变送过程动态特性的模拟方法，其特征在于所述工艺过程参数测量变送单元信号传输过程滞后的模拟方法，反映测量变送滞后的模拟部件是直接加在常用基本环节，中部和下部水槽的外侧面小水槽，两者直接相通。