過程控制工程 課件 聶建華

一、過程控制工程是干什么的？

案例1管式加熱爐控制回油燃料油霧化蒸汽工藝介質(zhì)一、過程控制工程是干什么的？

案例1管式加熱爐控制案例2：鍋爐設(shè)備的工藝流程鍋爐設(shè)備控制思考題1、了解鍋爐設(shè)備的控制問題與系統(tǒng)分解；2、掌握汽包水位的對象特點(diǎn)與控制方案；3、掌握鍋爐設(shè)備燃料與空氣邏輯變比值控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法；4、了解鍋爐設(shè)備過熱蒸汽溫度的控制問題與常用的控制方法。鍋爐設(shè)備的控制問題

系統(tǒng)分解：（1）鍋爐汽包水位的控制； （2）鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制； （3）過熱蒸汽系統(tǒng)的控制。汽包水位的控制問題被控變量：汽包水位，用H(s)表示控制變量：汽包給水量，用G(s)表示主要干擾： 蒸汽負(fù)荷（蒸汽流量），用D(s)表示通道對象： 非自衡、非最小相位、非線性等特性汽包水位的對象特性干擾通道特性控制通道特性非最小相位特性對象為非最小相位（存在位于復(fù)平面右半平面的零點(diǎn)）的條件為汽包水位的單沖量控制汽包水位的雙沖量控制前饋補(bǔ)償原理：假設(shè)調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)閥，C1=1，則調(diào)節(jié)器為正作用，而C2應(yīng)取負(fù)號，具體數(shù)值可現(xiàn)場調(diào)整或根據(jù)閥門特性計算其初始值。三沖量控制系統(tǒng)的簡化連接汽包水位的三沖量控制鍋爐蒸汽壓力控制

和燃料與空氣比值控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)：I1=I2=I3=I4=IpQ1=KQ2分析提降量過程？●過程（Process）--生產(chǎn)過程二、基本概念歷經(jīng)一段時間一般工業(yè)生產(chǎn)伴隨物質(zhì)能量變化●過程（Process）的特點(diǎn)連續(xù)過程(ContinuousProcess)批量（間歇）過程(BatchProcess)離散過程(DiscreteProcess)流程工業(yè)(FlowManufacturingIndustry)離散制造業(yè)(DiscreteIndustry)●過程控制(ProcessControl）

針對連續(xù)或半連續(xù)（間歇）過程中的溫度、壓力、流量、液（物）位、化學(xué)成分（如含氧量）、物性參數(shù)（如粘度、融溶指數(shù)）等變量而實(shí)現(xiàn)的自動控制系統(tǒng)，稱為過程控制。●被控參數(shù)種類基本概念溫度壓力流量液位成分（氧含量，產(chǎn)品組份等）物性（粘度，干點(diǎn)，冰點(diǎn)等）●過程控制領(lǐng)域基本概念冶金：冶金加熱爐，熱處理爐電力：火電廠石油化工：輸油，煉油，乙烯，合成橡膠，合成氨生化：啤酒，制藥輕工：食品，漂染環(huán)境：水處理，大氣監(jiān)測其它：農(nóng)業(yè)，養(yǎng)殖業(yè)控制工程與其它相關(guān)學(xué)科三、本課程的教學(xué)要求了解控制系統(tǒng)的設(shè)計目的，掌握控制系統(tǒng)方塊圖描述法掌握過程對象的建模方法掌握PID類常規(guī)控制策略，能夠結(jié)合具體的工業(yè)過程設(shè)計合理的控制方案了解先進(jìn)控制算法，掌握其設(shè)計思想、概念、特點(diǎn)及適用場合了解控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)施本課程的教學(xué)要求了解控制系統(tǒng)的設(shè)計目的，掌握控制系統(tǒng)方塊圖描述法掌握過程對象的建模方法掌握PID類常規(guī)控制策略，能夠結(jié)合具體的工業(yè)過程設(shè)計合理的控制方案了解先進(jìn)控制算法，掌握其設(shè)計思想、概念、特點(diǎn)及適用場合了解控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)施1.過程控制概論1.1控制系統(tǒng)的組成與目標(biāo)

1.1.1控制系統(tǒng)的由來

1.1.2控制系統(tǒng)的組成

1.1.3過程控制的術(shù)語與目標(biāo)1.2控制儀表與控制裝置

1.2.1單元組合控制儀表

1.2.2計算機(jī)控制裝置1.過程控制概論1.3過程控制策略

1.3.1反饋控制

1.3.2前饋控制1.4反饋控制系統(tǒng)的分類1.1控制系統(tǒng)的組成與目標(biāo)

1.1.1控制系統(tǒng)的由來傳感測量：液位計+人眼控制器：大腦執(zhí)行機(jī)構(gòu)：手+手動閥差壓傳感變送器電動調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)閥控制在日常生活中無處不在！1.1.2控制系統(tǒng)組成過程末端執(zhí)行器傳感器控制器輸入輸出期望值液位控制反饋控制液位控制系統(tǒng)的方塊圖問題：指出每一條連接線所對應(yīng)的變量信號的物理意義與單位，以及每一個方塊所表示的意義？一般的單回路控制系統(tǒng)被控變量：溫度(T)、壓力(P)、流量(F)、液位或料位(L)、成分與物性等六大參數(shù)。1.1.3過程控制的術(shù)語與目標(biāo)過程控制系統(tǒng)的目標(biāo)： 在擾動存在的情況下，通過調(diào)節(jié)操縱變量使被控變量保持在其設(shè)定值。應(yīng)用過程控制系統(tǒng)的主要原因：

（1）安全性：確保生產(chǎn)過程中人身與設(shè)備的安全，保護(hù)或減少生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響； （2）穩(wěn)定性：確保產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量的長期穩(wěn)定，以抑制各種外部干擾； （3）經(jīng)濟(jì)性：實(shí)現(xiàn)效益最大化或成本最小化。1.2控制儀表與控制裝置

1.2.1單元組合控制儀表1.2.2計算機(jī)控制裝置

（1）直接數(shù)字控制1.2.2計算機(jī)控制裝置

（2）集中型計算機(jī)控制系統(tǒng)1.2.2計算機(jī)控制裝置

（3）集散控制系統(tǒng)1.2.2計算機(jī)控制裝置（4）基于網(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)模型：基于現(xiàn)場總線基于網(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)模型：

基于Internet基于網(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)模型：測控管一體化模型某公司鋼軋總廠二號鍍鋅線系統(tǒng)示意圖（5）監(jiān)控系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理通信組態(tài)操作系統(tǒng)WindowsNTWindowsCE實(shí)時操作軟件UxWorks網(wǎng)絡(luò)管理軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的安裝、刪除、測試、診斷，以及對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、維護(hù)等功能通信軟件（1）DDE(Dinamicdataexchange)：動態(tài)數(shù)據(jù)交換基于消息機(jī)制，用于控制系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)通信。當(dāng)數(shù)據(jù)量大時，效率較低。微軟公司已停止發(fā)展DDE技術(shù)，但仍給予支持。目前大多數(shù)監(jiān)控軟件也支持DDE。

（2）OPC(OLEforProcessControl)：用于過程控制的OLE以ActiveX、COM&DCOM、XML及.NET技術(shù)為基礎(chǔ)。OPC是一個開放的軟件接口規(guī)范，用于客戶程序和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信。OPC使監(jiān)控軟件能高效、穩(wěn)定地對硬件設(shè)備進(jìn)行存取操作,系統(tǒng)應(yīng)用軟件之間也可靈活地進(jìn)行信息交換。...設(shè)備B設(shè)備A設(shè)備N應(yīng)用軟件X...應(yīng)用軟件Z驅(qū)動程序

傳統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)...OPC服務(wù)器設(shè)備BOPC服務(wù)器設(shè)備AOPC服務(wù)器設(shè)備N應(yīng)用軟件XOPC接口...應(yīng)用軟件ZOPC接口OPC客戶

基于OPC技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)監(jiān)控組態(tài)軟件監(jiān)控組態(tài)軟件是面向監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)的軟件平臺工具，主要用來構(gòu)建人機(jī)圖形界面，功能多樣,使用靈活。它具有數(shù)據(jù)采集、實(shí)時監(jiān)控、實(shí)時數(shù)據(jù)庫、通信及聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)接口等功能，并廣泛支持各種I/O設(shè)備。知名的監(jiān)控組態(tài)軟件在國際上有Wonderware公司的Intouch、Intellution公司的iFix、西門子公司的WinCC、NI公司的LabView、Iconics公司的Genesis等等。Intouch是在上世紀(jì)80年代末推出的第一個商品化組態(tài)軟件。

國內(nèi)有三維科技股份有限公司的力控軟件、北京亞控科技發(fā)展有限公司的組態(tài)王、北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司的MCGS等。1.3過程控制策略

1.3.1反饋控制能補(bǔ)償任意擾動存在主要問題：（1）控制作用滯后（2）必須考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性反饋控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)工程師任務(wù)：

（1）設(shè)計合適控制方案（2）控制器參數(shù)整定1.3.2前饋控制前饋反饋控制方案1.4反饋控制系統(tǒng)的分類（1）定值控制（RegulatoryControl,“調(diào)節(jié)控制”）與伺服控制（ServoControl,“跟蹤控制”） 對照舉例：連續(xù)過程與間歇過程（BatchProcesses）或飛行控制。

(2)連續(xù)時間控制（Continuous-TimeControl）與離散時間控制（Discrete-TimeControl,也稱“采樣控制”/“數(shù)字控制”） 舉例：計算機(jī)控制系統(tǒng)

(3)位式控制與連續(xù)輸出控制（4）常規(guī)控制與先進(jìn)控制

PID類（包括：單回路PID、串級、前饋、均勻、比值、分程、選擇或超馳控制等）， 特點(diǎn)：主要適用于SISO系統(tǒng)、基本上不需要對象的動態(tài)模型、結(jié)構(gòu)簡單、在線調(diào)整方便。

APC類（先進(jìn)控制方法，包括：解耦控制、內(nèi)?？刂?、預(yù)測控制、自適應(yīng)控制等）， 特點(diǎn)：主要適用于MIMO或大純滯后SISO系統(tǒng)、需要動態(tài)模型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、在線計算量大。控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)施確定控制目標(biāo)：依據(jù)生產(chǎn)過程安全性、經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性的要求，針對具體工業(yè)對象確定控制目標(biāo)；選擇被控變量：選擇與控制目標(biāo)直接或間接相關(guān)的可測量參數(shù)作為控制系統(tǒng)的被控變量；選擇操作變量：從所有可操作變量中選擇合適的操作變量，要求對被控變量的調(diào)節(jié)作用盡可能大而快；確定控制方案：當(dāng)被控變量與操作變量多于1個時，既可以直接用MIMO（多輸入多輸出）控制方案；也可以將系統(tǒng)分解成幾個SISO（單輸入單輸出）子系統(tǒng)再進(jìn)行設(shè)計（當(dāng)然這里存在最佳分解問題）。2.基于過程動力學(xué)的機(jī)理建模

2.1過程建模的目的與方法過程建模的目的：（1）進(jìn)行工業(yè)過程優(yōu)化操作（2）控制系統(tǒng)方案的設(shè)計與仿真研究（3）控制系統(tǒng)的調(diào)試和控制器參數(shù)的整定（4）作為模型預(yù)測控制等先進(jìn)控制方法的數(shù)學(xué)模型（5）工業(yè)過程的故障檢測與診斷（6）設(shè)備啟動與停車的操作方案（7）操作人員的培訓(xùn)系統(tǒng)（1）機(jī)理建模法

原理：根據(jù)過程的工藝機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流體流動、傳熱、傳質(zhì)等基本規(guī)律的運(yùn)動方程，由此獲得被控對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。 特點(diǎn)：概念明確、適用范圍寬，要求對該過程機(jī)理明確。建模的方法：（2）測試建模法原理：對過程的輸入（包括控制變量與擾動變量）施加一定形式的激勵信號，如階躍、脈沖信號等，同時記錄相關(guān)的輸入輸出數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由此獲得對象的動態(tài)模型。 特點(diǎn)：無需深入了解過程機(jī)理，但適用范圍小，模型準(zhǔn)確性有限。（3）半測試法建模2.2機(jī)理建模2.2.1機(jī)理建模得步驟

（1）根據(jù)建模的對象和模型的使用目的進(jìn)行合理的假設(shè)（2）根據(jù)過程內(nèi)在的機(jī)理建立數(shù)學(xué)模型（3）簡化模型

物料和能量守恒關(guān)系

2.2.2常用的方程（1）無化學(xué)反應(yīng)的物料流量關(guān)系

（2）具有化學(xué)反應(yīng)的組分A的物料平衡關(guān)系（3）系統(tǒng)總的能量平衡關(guān)系案例:

加熱式攪拌灌1.質(zhì)量守恒2.能量守恒加熱體體積、溫度動態(tài)方程

若干基本定理（1）能量方程具有冷卻器的連續(xù)攪拌反應(yīng)槽物料A的平衡關(guān)系

物料守恒反應(yīng)槽傳給冷卻劑的熱量能量守恒能量守恒簡化A發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量熱焓（內(nèi)能）定義能量關(guān)系熱焓用定壓熱容與熱力學(xué)溫度表示冷卻物料溫度動態(tài)關(guān)系（2）運(yùn)動方程（3）狀態(tài)方程：密度、熱焓與溫度、

壓力以及組分之間的關(guān)系

液體焓：定量理想氣體的熱焓氣體密度（4）平衡關(guān)系：化學(xué)反應(yīng)平衡、相平衡（5）化學(xué)動力學(xué)的方程2.3典型過程的動態(tài)建模2.3.1液體儲罐的動態(tài)建模2.3.2串聯(lián)液體儲罐的動態(tài)建模2.3.3氣體壓力儲罐的動態(tài)建模2.3.4夾套式換熱器的動態(tài)建模2.3.5管式換熱器的動態(tài)建模2.3.6化學(xué)反應(yīng)器的動態(tài)建模2.3.1液體儲罐的動態(tài)建模

物料平衡方程：

流體運(yùn)動方程：線性化：2.3.2串聯(lián)液體儲罐的動態(tài)建模串聯(lián)液體儲罐的動態(tài)建模串聯(lián)液體儲罐的動態(tài)建模串聯(lián)液體儲罐的動態(tài)建模相關(guān)串聯(lián)液體儲罐的動態(tài)建模相關(guān)串聯(lián)液體儲罐的動態(tài)建模2.3.3氣體壓力儲罐的動態(tài)建模氣體壓力儲罐的動態(tài)建模氣體壓力儲罐的動態(tài)建模2.3.4夾套式換熱器的動態(tài)建模夾套式換熱器的動態(tài)建模增量化線性化夾套式換熱器的動態(tài)建模穩(wěn)態(tài)情況下滿足的條件方程可以簡化為夾套式換熱器的動態(tài)建模用傳遞函數(shù)表達(dá)如下：溫度與出口流量、入口溫度、入口流度、關(guān)系2.3.5管式換熱器的動態(tài)建模管式換熱器的動態(tài)建模分部參數(shù)模型：時間與位置流體1的動態(tài)變化關(guān)系管式換熱器的動態(tài)建模流體2的動態(tài)變化關(guān)系化簡如下：邊界初始條件：2.3.5化學(xué)反應(yīng)器的動態(tài)建模化學(xué)反應(yīng)器的動態(tài)建模（1）反應(yīng)物A的反應(yīng)速度方程（2）反應(yīng)器內(nèi)總的物料平衡化學(xué)反應(yīng)器的動態(tài)建模（3）反應(yīng)物A的物料平衡（4）反應(yīng)器內(nèi)熱量平衡：化學(xué)反應(yīng)器的動態(tài)建模（5）夾套內(nèi)冷劑熱量平衡：化學(xué)反應(yīng)器的動態(tài)建?；瘜W(xué)反應(yīng)器的動態(tài)建模

線性化3.基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)建模

3.1階躍響應(yīng)建模

3.1.1階躍響應(yīng)的獲取

3.1.2由階躍響應(yīng)確定近似傳遞函數(shù)

典型工業(yè)過程傳遞函數(shù)（1）一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后作圖法（2）兩點(diǎn)法確定一階慣性加純滯后無量綱表示：響應(yīng)的無量綱表示：兩點(diǎn)法確定一階慣性加純滯后圖上取兩點(diǎn)的值圖上取兩點(diǎn)的值解：兩點(diǎn)法確定一階慣性加純滯后取特殊的兩點(diǎn)值：（3）確定二階慣性加純滯后模型參數(shù)確定二階慣性加純滯后模型參數(shù)取響應(yīng)的相對值：0.40.8進(jìn)行計算確定二階慣性加純滯后模型參數(shù)3.1.3脈沖響應(yīng)方法

脈沖響應(yīng)方法3.2回歸建模方法不需要施加階躍或脈沖輸入信號經(jīng)驗(yàn)建模法三個基本要素：（1）輸入輸出數(shù)據(jù)（2）一組候選的模型集（3）選擇模型的某種性能指標(biāo)3.2.1線性回歸建模

多變量線性模型N個測量點(diǎn)的誤差平方和線性回歸建模誤差的矩陣表達(dá)形式：取誤差最小可得：線性回歸建模取誤差最小可得：3.2回歸建模方法

案例：最小二乘在電能比對中的應(yīng)用3.2.2離散時間模型及其辨識

模型的離散化表示一階模型：離散時間模型及其辨識二階模型：離散時間模型及其辨識有純后N階模型：離散時間模型及其辨識案例：電吹風(fēng)溫度與輸入能量之間動態(tài)關(guān)系模型的階次、純滯后是多少？隨機(jī)產(chǎn)生35W或65W，記錄溫度輸出

離散時間模型及其辨識

隨機(jī)產(chǎn)生35W或65W，記錄溫度輸出

反復(fù)試驗(yàn)

離散時間模型及其辨識3.2.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模

非線性模型人工神經(jīng)元模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模常見的活化函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模（1）前向網(wǎng)絡(luò)BP網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模（1）前向網(wǎng)絡(luò)RBF網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模（2）互聯(lián)型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)散型Hopfield網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模案例：連續(xù)攪拌式反應(yīng)器基于神經(jīng)網(wǎng)路預(yù)測控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模案例：連續(xù)攪拌式反應(yīng)器基于神經(jīng)網(wǎng)路預(yù)測控制本章結(jié)束3.基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)建模

3.1階躍響應(yīng)建模

3.1.1階躍響應(yīng)的獲取

3.1.2由階躍響應(yīng)確定近似傳遞函數(shù)

典型工業(yè)過程傳遞函數(shù)（1）一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后作圖法（2）兩點(diǎn)法確定一階慣性加純滯后無量綱表示：響應(yīng)的無量綱表示：兩點(diǎn)法確定一階慣性加純滯后圖上取兩點(diǎn)的值圖上取兩點(diǎn)的值解：兩點(diǎn)法確定一階慣性加純滯后取特殊的兩點(diǎn)值：（3）確定二階慣性加純滯后模型參數(shù)確定二階慣性加純滯后模型參數(shù)取響應(yīng)的相對值：0.40.8進(jìn)行計算確定二階慣性加純滯后模型參數(shù)3.1.3脈沖響應(yīng)方法

脈沖響應(yīng)方法3.2回歸建模方法不需要施加階躍或脈沖輸入信號經(jīng)驗(yàn)建模法三個基本要素：（1）輸入輸出數(shù)據(jù)（2）一組候選的模型集（3）選擇模型的某種性能指標(biāo)3.2.1線性回歸建模

多變量線性模型N個測量點(diǎn)的誤差平方和線性回歸建模誤差的矩陣表達(dá)形式：取誤差最小可得：線性回歸建模取誤差最小可得：3.2回歸建模方法

案例：最小二乘在電能比對中的應(yīng)用3.2.2離散時間模型及其辨識

模型的離散化表示一階模型：離散時間模型及其辨識二階模型：離散時間模型及其辨識有純后N階模型：離散時間模型及其辨識案例：電吹風(fēng)溫度與輸入能量之間動態(tài)關(guān)系模型的階次、純滯后是多少？隨機(jī)產(chǎn)生35W或65W，記錄溫度輸出

離散時間模型及其辨識

隨機(jī)產(chǎn)生35W或65W，記錄溫度輸出

反復(fù)試驗(yàn)

離散時間模型及其辨識3.2.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模

非線性模型人工神經(jīng)元模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模常見的活化函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模（1）前向網(wǎng)絡(luò)BP網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模（1）前向網(wǎng)絡(luò)RBF網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模（2）互聯(lián)型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)散型Hopfield網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模案例：連續(xù)攪拌式反應(yīng)器基于神經(jīng)網(wǎng)路預(yù)測控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模案例：連續(xù)攪拌式反應(yīng)器基于神經(jīng)網(wǎng)路預(yù)測控制本章結(jié)束4.反饋控制主要內(nèi)容：（1）控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)（2）三種常規(guī)的反饋控制模式（3）PID控制器的選取與整定（4）反饋控制系統(tǒng)的投運(yùn)

反饋控制

4.1控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)4.1.1以階躍響應(yīng)曲線的特征參數(shù)作為性能指標(biāo)

以階躍響應(yīng)曲線的特征參數(shù)

作為性能指標(biāo)

衰減比超調(diào)量回復(fù)時間余差偏差平方值積分偏差絕對值積分偏差絕對值與時間乘積的積分4.1.1偏差積分性能指標(biāo)4.2三種常規(guī)的反饋控制模式

PID控制器4.2.1比例控制作用

比例控制作用比例增益對控制性能的影響控制器增益Kc對系統(tǒng)性能的影響：增益Kc

增大，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)，但穩(wěn)定性下降（當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時，調(diào)節(jié)頻率提高、余差下降）。積分時間4.2.2比例積分控制作用

積分控制作用

比例積分控制器積分作用對控制性能的影響

積分時間Ti對系統(tǒng)性能的影響

引入積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)余差，但控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。當(dāng)積分作用過強(qiáng)時（即Ti過?。?，可能使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分飽和的影響單回路系統(tǒng)的“積分飽和”問題問題：當(dāng)存在大的外部擾動時，很有可能出現(xiàn)控制閥調(diào)節(jié)能力不夠的情況，即使控制閥全開或全關(guān)，仍不能消除被控輸出y(t)與設(shè)定值ysp(t)之間的誤差。此時，由于積分作用的存在，使調(diào)節(jié)器輸出u(t)無限制地增大或減少，直至達(dá)到極限值。而當(dāng)擾動恢復(fù)正常時，由于u(t)在可調(diào)范圍以外，不能馬上起調(diào)節(jié)作用；等待一定時間后，系統(tǒng)才能恢復(fù)正常?？狗e分飽和PI控制器4.2.3比例積分微分控制作用

微分時間Td對系統(tǒng)性能的影響 微分作用的增強(qiáng)（即Td增大），從理論上講使系統(tǒng)的超前作用增強(qiáng)，穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，但對高頻噪聲起放大作用。對于測量噪聲較大的對象，需要引入測量信號的平滑濾波；而微分作用主要適合于一階滯后較大的廣義對象，如溫度、成份等。微分作用對控制性能的影響實(shí)際的比例積分微分控制器其中Ad

為微分增益SimuLink

結(jié)構(gòu):4.3PID控制器的選取與整定

4.3.1控制器的選型*1：當(dāng)工業(yè)對象具有較大的滯后時，可引入微分作用；但如果測量噪聲較大，則應(yīng)先對測量信號進(jìn)行一階或平均濾波。控制器的“正反作用”選擇問題問題：如何構(gòu)成一個負(fù)反饋控制系統(tǒng)？控制器的“正反作用”選擇定義：當(dāng)被控變量的測量值增大時，控制器的輸出也增大，則該控制器為“正作用”；否則，當(dāng)測量值增大時，控制器輸出反而減少，則該控制器為“反作用”。選擇要點(diǎn)：使控制回路成為“負(fù)反饋”系統(tǒng)。選擇方法：（1）假設(shè)檢驗(yàn)法。先假設(shè)控制器的作用方向，再檢查控制回路能否成為“負(fù)反饋”系統(tǒng)。（2）回路判別法。先畫出控制系統(tǒng)的方塊圖，并確定回路除控制器外的各環(huán)節(jié)作用方向，再確定控制器的正反作用。控制器的作用方向選擇：假設(shè)檢驗(yàn)法根據(jù)控制閥的“氣開氣關(guān)”的選擇原則，該閥應(yīng)選“氣開閥”，即：u↑→Rf↑。

假設(shè)溫度控制器為正作用，即：Tm↑→u↑；則結(jié)論：該控制器的作用方向不能為正作用，而應(yīng)為反作用.控制器的作用方向選擇：回路判別法回路判別法的要點(diǎn)：（1）反饋回路中負(fù)增益環(huán)節(jié)（包括比較器）數(shù)為奇數(shù)；（2）對控制器而言，“正作用”是指Tm↑→u↑。4.3.2控制器參數(shù)整定

（1）經(jīng)驗(yàn)法

針對被控變量類型的不同，選擇不同的PID參數(shù)初始值，投運(yùn)后再作調(diào)整。盡管簡單，但即使對于同一類型的被控變量，如溫度系統(tǒng)，其控制通道的動態(tài)特性差別可能很大，因而經(jīng)驗(yàn)法屬最為“粗糙”的整定法。 （具體整定參數(shù)原則見p.53表4.3-1）（2）臨界比例度法1、先切除PID控制器中的積分與微分作用（即將積分時間設(shè)為無窮大，微分時間取為0），并令比例增益KC為一個較小值，并投入閉環(huán)運(yùn)行；2、將設(shè)定值作小幅度的階躍變化，觀察測量值的響應(yīng)變化情況；3、逐步增大KC的取值，對于每個KC值重復(fù)步驟2中的過程，直至產(chǎn)生等幅振蕩；4、設(shè)等幅振蕩的振蕩周期為Pu、產(chǎn)生等幅振蕩的控制器增益為Kcmax

。臨界比例度法舉例臨界比例度法舉例臨界比例度法控制規(guī)律KcmaxTiTdP0.5KcmaxPI0.45Kcmax0.83PuPID0.6Kcmax0.5Pu0.12Pu根據(jù)等幅振蕩曲線得到的振蕩周期Pu和產(chǎn)生等幅振蕩的控制器增益Kcmax，對所選擇的控制規(guī)律查表得到控制器參數(shù)。（3）響應(yīng)曲線法臨界比例度法的局限性：

生產(chǎn)過程有時不允許出現(xiàn)等幅振蕩，或者無法產(chǎn)生正常操作范圍內(nèi)的等幅振蕩。響應(yīng)曲線法PID參數(shù)整定步驟：

（1）在手動狀態(tài)下，改變控制器輸出（通常采用階躍 變化），記錄被控變量的響應(yīng)曲線； （2）根據(jù)單位階躍響應(yīng)曲線求取“廣義對象”的近似模型與模型參數(shù)； （3）根據(jù)控制器類型與對象模型，選擇PID參數(shù)并投 入閉環(huán)運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，可對增益作調(diào)整。響應(yīng)曲線法舉例階躍響應(yīng)測試法舉例（續(xù)1）對象的近似模型：階躍響應(yīng)測試法舉例特點(diǎn)：適合于存在明顯純滯后的自衡對象，而且廣義對象的階躍響應(yīng)曲線可用“一階+純滯后”來近似。整定公式：4.3.3PID參數(shù)自整定（1）基本思想和原理具有繼電器型非線性控制系統(tǒng)問題：分析上述非線性系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩的條件？繼電器輸入輸出信號分析周期信號的Fourier級數(shù)展開一個以T為周期的方波函數(shù)f(t)可以展開為假設(shè)繼電器的幅值為d，則繼電器輸出的一次諧波為繼電器型控制系統(tǒng)等幅振蕩條件對于沒有滯環(huán)的繼電器環(huán)節(jié)，假設(shè)該環(huán)節(jié)輸入的一次諧波振幅為a，則a為系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩的條件是：再由臨界比例度法自動確定PID參數(shù).

（2）Ziegler-Nichols方法確定參數(shù)控制器參數(shù)整定值參見表4.3-5（3）繼電器型PID自整定舉例繼電器型PID自整定舉例（續(xù)）結(jié)論描述了單回路系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)；討論了PID控制律的意義及與控制性能的關(guān)系。介紹了單回路控制器“正反作用”的選擇原則；5.前饋控制和比值控制

5.1前饋控制系統(tǒng)前饋控制的原理線性前饋控制的設(shè)計非線性前饋控制前饋反饋控制系統(tǒng)換熱器的反饋控制假設(shè)主要干擾為RF，T11、如果加熱蒸汽壓力波動導(dǎo)致單回路控制效果不理想，怎么辦？2、如果工藝介質(zhì)流量波動導(dǎo)致控制效果不理想，怎么辦？5.1.1前饋控制的基本原理

換熱器的前饋控制方案前饋控制的思想D1，……，Dn為可測擾動；u，y分別為被控對象的操作變量與受控變量。前饋思想：在擾動還未影響輸出以前，直接改變操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動的影響。線性前饋控制方塊圖控制目標(biāo)：開環(huán)前饋控制系統(tǒng)鍋爐汽包三沖量控制

Σ

FCLC蒸汽量D液位L流量F例子給水蒸汽5.1.2前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）按干擾作用的大小進(jìn)行控制——提前，控制及時

控制的依據(jù)檢測的信號控制作用的發(fā)生時間反饋控制前饋控制被控變量的偏差干擾量的大小被控變量干擾量偏差出現(xiàn)后偏差出現(xiàn)前（2）前饋控制屬于開環(huán)控制

GPD(s)

GPC(s)Gff(s)θ1F圖5-3系統(tǒng)方塊圖開環(huán)控制，控制效果不能通過反饋驗(yàn)證，因此對控制器設(shè)計的要求比較嚴(yán)格對象

不象反饋控制通用PID算法，前饋控制算法依對象不同而不同。前饋控制器設(shè)計依據(jù)“擾動補(bǔ)償理論”（3）是一種根據(jù)對象特性設(shè)計的“專用”控制器

GPD(s)

GPC(s)Gff(s)θ1F（4）一種前饋?zhàn)饔弥荒芸朔环N干擾缺點(diǎn)5.2前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式靜態(tài)前饋控制5.2.1●靜態(tài)前饋控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工況下的干擾補(bǔ)償（要求沒有動態(tài)那么高）靜態(tài)前饋控制對于較為簡單的對象，可以寫出靜態(tài)方程式

GffFFsθ1θ2例子：Cp-----比熱

hs-----蒸汽的汽化潛熱

靜態(tài)前饋控制靜態(tài)前饋控制流程原理圖Σ××FCθ1iFθ2Cp/hs靜態(tài)前饋控制穩(wěn)態(tài)平衡關(guān)系：靜態(tài)前饋控制特點(diǎn)：可克服對象的非線性，或具有變增益控制器的功能?！駝討B(tài)前饋控制實(shí)現(xiàn)動態(tài)干擾補(bǔ)償

5.2.2動態(tài)前饋控制動態(tài)前饋控制對于線性系統(tǒng)，動態(tài)前饋控制器可表示成靜態(tài)與動態(tài)兩部分：對于非線性系統(tǒng)，上式中靜態(tài)前饋部分可由對象的非線性靜態(tài)模型計算得到，而動態(tài)部分同樣可按線性對象處理。動態(tài)前饋控制動態(tài)前饋控制器（g1(s)、g2(s)、g3(s)分別表示RVsp、T1、RF對系統(tǒng)輸出T2的通道特性的動態(tài)部分。）5.2.3前饋-反饋控制系

前饋控制與反饋控制的比較

前饋控制

反饋控制擾動可測，但不要求被控量可測被控量直接可測超前調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出的不變性（但存在可實(shí)現(xiàn)問題）按偏差控制，存在偏差才能調(diào)節(jié)（滯后調(diào)節(jié)）開環(huán)調(diào)節(jié)，無穩(wěn)定性問題閉環(huán)調(diào)節(jié)，存在穩(wěn)定性問題系統(tǒng)僅能感受有限個可測擾動系統(tǒng)可感受所有影響輸出的擾動對于干擾與控制通道的動態(tài)模型，要求已知而且準(zhǔn)確對通道模型要求弱，大多數(shù)情況無需對象模型對時變與非線性對象的適應(yīng)性弱對時變與非線性對象的適應(yīng)性與魯棒性強(qiáng)前饋-反饋控制系統(tǒng)前饋-反饋控制系統(tǒng)換熱器FFC-FBC系統(tǒng)

+GffTCFSFθ1

FFC按負(fù)荷F的變化校正蒸汽量Fs。FBC根據(jù)溫度偏差，對蒸汽量Fs進(jìn)行進(jìn)一步校正。FFC與FBC作用疊加，又稱復(fù)合控制系統(tǒng)。

前饋-反饋控制系統(tǒng)GPD(s)GC(s)GPC(s)Gff(s)θ1iθ1－F前饋-反饋控制系統(tǒng)GPD(s)十Gff(s)GPC(s)＝0應(yīng)用不變性原理：

F(s)≠0，Θ1(s)≡0代入上式中，即可推導(dǎo)出前饋控制器的傳遞函數(shù)：FFC—FBC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是相同的

（3）有模型變化的適應(yīng)能力前饋-反饋控制系統(tǒng)FFC-FBC優(yōu)點(diǎn)：（1）FFC只需對主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償，其余干擾由FBC完成（2）由于FBC的偏差校正，對FFC的模型精度要求降低前饋反饋控制方案線性前饋控制的仿真有余差前饋＋反饋控制的仿真5.2.4多變量前饋控制多輸入——單輸出、多輸入——多輸出當(dāng)被控過程的擾動不止一個，而它們變化幅度較大且頻繁時，可采用多輸入單輸出的多變量前饋控制系統(tǒng)。機(jī)理建立前饋控制模型適用于簡單的工藝對象線性疊加方法

MIMO系統(tǒng)

5.2.5前饋控制系統(tǒng)的實(shí)施前饋控制規(guī)律取決于對象干擾通道和控制通道的傳遞函數(shù)；工業(yè)對象特性復(fù)雜，導(dǎo)致前饋控制規(guī)律種類繁多，不利于實(shí)施；

工業(yè)應(yīng)用希望控制規(guī)律能具有一定的通用性，便于控制實(shí)施（特別是儀表）。前饋控制系統(tǒng)的實(shí)施一般的工業(yè)對象可以用一階容量滯后加純滯后環(huán)節(jié)近似,如：-K+K+Σ+-+Σ

輸入

輸出

前饋控制系統(tǒng)的實(shí)施前饋控制系統(tǒng)的實(shí)施Kf－ΣK1/(T2s+1)輸入++K=T1/T2-1輸出（T1s+1）/（T2s+1）實(shí)施框圖α=T1/T2

α＞1α＜l（輸出）mfT1>T2

超前特性T1<T2滯后特性T1=T2比例特性前饋控制系統(tǒng)的實(shí)施討論引入前饋控制的可能應(yīng)用場合：常規(guī)反饋控制系統(tǒng)難以滿足要求；干擾可測。應(yīng)用前饋控制的前提條件：主要干擾可測；調(diào)節(jié)閥與被測干擾之間沒有因果關(guān)系；干擾通道的響應(yīng)速度比控制通道慢，至少應(yīng)接近；干擾通道與控制通道的動態(tài)特性變化不大。5.3比值控制系統(tǒng)

概述5.3.1定比值控制系統(tǒng)5.3.2變比值控制系統(tǒng)5.3.3比值控制系統(tǒng)的實(shí)施5.3.4比值控制系統(tǒng)的設(shè)計、投運(yùn)及整定5.3.5

比值控制系統(tǒng)的若干問題

概述

工業(yè)過程中，經(jīng)常需要控制兩種或兩種以上的物料保持一定的比例關(guān)系

如：造紙過程中，紙漿和水要成一定的比例關(guān)系石化重油氣化，重油和氧氣量要成一定的比例關(guān)系鍋爐燃燒，煤氣和空氣成一定的比例關(guān)系，等等比值控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)流量比值較多，流量比值控制系統(tǒng)主物料/主流量：

可測或可控，處于比值控制中的主導(dǎo)地位F1從物料/從流量：

可控，一般供應(yīng)有余，按主物料進(jìn)行配比F2比值控制系統(tǒng)，要求副流量F2與主流量F1成一定的比值關(guān)系，K為流量比值概述

案例溶液配制問題問題：假設(shè)NaoH用量QB和稀釋水量QA可測并且QA可調(diào)。如果QB變化，如何調(diào)整以使稀釋液NaoH的濃度為6~8%左右？解決方案：（1）出口濃度控制；（2）入口流量的比值控制（流量比值？）。5.3.1定比值控制系統(tǒng)開環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)（1）開環(huán)比值控制系統(tǒng)(a)原理圖FCF1F2(b)方塊圖開環(huán)比值控制系統(tǒng)控制器控制閥對象F2測量變送F1本質(zhì)：整個控制系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，F(xiàn)2流量根據(jù)F1流量，按比例系數(shù)開閉閥門優(yōu)點(diǎn)：簡單，儀表少缺點(diǎn)：系統(tǒng)開環(huán)，F(xiàn)2波動時比值難以保證場合：這種方案應(yīng)用較少（2）單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在開環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一個副流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)

KF1F2FC

從方塊圖上看，與串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相似，只是主參數(shù)沒有閉環(huán)，F(xiàn)2不影響F1

主流量變化，改變副流量控制器給定值—〉隨動控制。

副流量系統(tǒng)閉環(huán)，穩(wěn)定副流量—〉定值控制。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)控制器控制閥對象F2測量變送F1

K測量變送單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：1）能克服F2的波動

2）結(jié)構(gòu)簡單，特別是在主流量參數(shù)工藝不能控制的場合實(shí)施。

3）控制品質(zhì)提高較多缺點(diǎn)：1）F1不固定

2）F1+F2總量不定

3）動態(tài)比值較差場合：應(yīng)用較廣泛，幾種物料直接進(jìn)反應(yīng)器受到限制丁烯洗滌塔進(jìn)料與洗滌水的比值控制系統(tǒng)例子：KFC洗滌水丁烯（3）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了主流量控制回路

F1CF1F2F2CK雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)Gc1Gv1Gp1F1F2

K

Gm1GC2Gv2Gp2

Gm2雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)●由于主流量控制回路的存在，實(shí)現(xiàn)了主流量定值控制，克服了對主流量的干擾的影響(例如：主動量供應(yīng)不足或有較大擾動)●另一個優(yōu)點(diǎn)是，提升主負(fù)荷比較容易，緩慢改變主控制器的給定值?！袢秉c(diǎn)：使用的儀表較多，另外，若主副回路工作頻率相近時，容易產(chǎn)生共振

F1CF2CK二氧化碳氧氣反應(yīng)器混合例子：5.3.2變比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng)定比值控制方案只能克服流量干擾對比值的影響，當(dāng)其它參數(shù)存在對比值系數(shù)的擾動時，必須時時修正比值系數(shù)，變比值控制

XCF1F2FfC÷PM變比值控制系統(tǒng)

這實(shí)際上是一個以某種指標(biāo)X為主參數(shù)，兩物料比值為副參數(shù)的串級控制系統(tǒng)——串級比值控制系統(tǒng)、自整配比控制系統(tǒng)主控制器比值控制器控制閥流量對象主對象測量變送測量變送測量變送除法器F1XF2氧化爐例子：變比值控制系統(tǒng)TCFfC÷空氣氧化爐預(yù)熱氨氣混合硝酸生產(chǎn)中氧化爐的爐溫與氨氣/空氣比值的串級控制方案5.3.3比值控制系統(tǒng)的實(shí)施

比值系數(shù)的折算（1）流量與測量信號成線性關(guān)系時的計算工藝上，比值K是指兩個物料的流量之比，而比值控制系統(tǒng)的K’一般是儀表的信號之間的比值，電動儀表4~20mA/0~10mA,氣動儀表是20~100KPa，信號轉(zhuǎn)換問題。（1）DDZ-Ⅲ型儀表0~Fmax4~20mADC流量與測量信號成線性關(guān)系時的計算比值系數(shù)K’是儀表信號之比，即：

F1max是主流量變送器量程上限

F2max是副流量變送器量程上限

（2）氣動單元組合儀表

0~Fmax20~100KPa對于不同信號范圍的儀表，比值系數(shù)的計算公式是一樣的。流量與測量信號成線性關(guān)系時的計算結(jié)論：

差壓變送器測量流量，流量與差壓成開方的關(guān)系DDZⅢ型儀表：

QDZ儀表：

比值系數(shù)的計算：（2）流量與測量信號成非線性關(guān)系時的計算幾點(diǎn)結(jié)論：（1）流量比值K與比值系數(shù)K’是兩個不同的概念，不能混淆（2）比值系數(shù)K’與K有關(guān)，同時也和流量變送器的量程有關(guān)，與負(fù)荷大小無關(guān)（3）注意變送器的流量與測量的線性關(guān)系（4）線性測量與非線性測量情況下K’間的關(guān)系為：

K’非

=（K’線）2

比值控制實(shí)施的方法（1）相乘方案×FCF1F2比值運(yùn)算部件：乘法器、比值器、分流器、比率器比值控制實(shí)施的方法（2）相除方案FfC÷比值控制方案實(shí)施舉例控制器控制閥流量對象測量變送2測量變送1比值器K’I'1I1F2F1采用比值器比率設(shè)定系數(shù)=比值系數(shù)比值控制方案實(shí)施舉例

控制器控制閥流量對象測量變送2測量變送1乘法器I0I'1I1F2F1I0=K’*16+4由K’計算出I0

，再由恒流器給出電流值，K’<1采用電動儀表乘法器

I0=K’*16+4由K’計算出I0，再由恒流器給出電流值。

采用電動儀表除法器比值控制方案實(shí)施舉例比值控制器控制閥流量對象測量變送2除法器測量變送1開方器F2F1

I0主動流量與從動流量的選擇主動量與從動量的選擇工藝參數(shù)的地位：主要物料/不可控其它物料/可控供應(yīng)不足問題：安全問題5.3.4比值控制系統(tǒng)的設(shè)計、投運(yùn)及整定

比值控制系統(tǒng)的設(shè)計、投運(yùn)及整定整定的方法步驟：投運(yùn)前的準(zhǔn)備工作與單回路相同，只是注意比值系數(shù)問題根據(jù)比值系數(shù)計算方法進(jìn)行計算時，若采用差壓法測流量時，由于非線性問題，比值系數(shù)需要在線調(diào)整。隨動系統(tǒng)整定步驟參數(shù)整定：根據(jù)比值控制方案的不同，按相應(yīng)的系統(tǒng)（單回路、串級）進(jìn)行整定。雙閉環(huán)比值主回路——定值系統(tǒng)變比值主回路—串級系統(tǒng)單閉環(huán)比值、雙閉環(huán)比值副回路、變比值副回路——隨動系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)的設(shè)計、投運(yùn)及整定5.3.5比值控制系統(tǒng)中若干問題

K正比于靜態(tài)工作點(diǎn)流量F0F0變化，K變化，影響動態(tài)質(zhì)量。（1）關(guān)于開方器的選用流量測量時采用差壓變送器時，流量與差壓為開方關(guān)系：對于0~10mA

解決辦法：加入開方器，或通過閥特性補(bǔ)償補(bǔ)償辦法：通過對數(shù)閥特性補(bǔ)償比值控制系統(tǒng)中若干問題（2）除法器的非線性除法器本身就是一個非線環(huán)節(jié)參見P73式5.3-11比值控制器控制閥流量對象測量變送2除法器測量變送1開方器F2F1在靜態(tài)比值基礎(chǔ)上，要求動態(tài)比值一致，即在外界干擾作用下，主副流量接近同步變化。

P75圖5.3-9，加入動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)Gz(s)，式5.3-17理論推導(dǎo)動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)（3）比值控制系統(tǒng)動態(tài)跟蹤問題比值控制系統(tǒng)中若干問題（4）主、副流量的邏輯提量關(guān)系比值控制系統(tǒng)中若干問題

比值控制時，負(fù)荷變化時，控制主副流量升降順序——加入邏輯控制（邏輯提量）例子：鍋爐燃燒系統(tǒng)，燃料量與空氣量成一定比值邏輯規(guī)律：蒸汽用量提量：P汽空氣燃料降量：蒸汽用量P汽燃料空氣

——保證燃燒完全比值控制系統(tǒng)中若干問題比值控制系統(tǒng)中若干問題PCHSLSF2CF1CKIPI1I2圖為鍋爐燃燒過程的具有邏輯規(guī)律的比值控制系統(tǒng)HS高選器，選高LS低選器，選低6其它典型控制系統(tǒng)6.1串級控制系統(tǒng)6.2非線性增益補(bǔ)償控制6.3均勻控制6.4選擇性控制系統(tǒng)6.5分成控制系統(tǒng)和閥位控制系統(tǒng)6.1串級控制系統(tǒng)

主要內(nèi)容了解串級控制系統(tǒng)的概念與方框圖表示法；結(jié)合控制原理，掌握串級系統(tǒng)的分析方法；了解串級控制系統(tǒng)的設(shè)計；串級控制系統(tǒng)的舉例與仿真。6.1.1串級控制系統(tǒng)的概念及方框圖描述

反應(yīng)釜溫度控制操縱變量：冷卻劑流量被控變量：反應(yīng)溫度擾動變量：冷卻劑溫度以及工藝介質(zhì)流量控制規(guī)律：PID反應(yīng)釜溫度單回路控制響應(yīng)曲線單回路控制系統(tǒng)分析問題：從擾動開始至調(diào)節(jié)器動作，調(diào)節(jié)滯后較大，特別對于大容量的反應(yīng)槽，調(diào)節(jié)滯后更大。冷卻水入口溫度↑→夾套內(nèi)冷卻水溫度T2↑→（經(jīng)對流傳熱）槽壁溫度↑→反應(yīng)槽溫度T1↑→（經(jīng)反饋回路）冷卻水量↑系統(tǒng)控制與擾動的分析干擾變量的影響：冷卻水入口溫度變化→夾套內(nèi)冷卻水溫度變化→槽壁溫度變化→反應(yīng)槽溫度變化控制變量的影響：冷卻水調(diào)節(jié)閥開度變化→冷卻水流量變化→夾套內(nèi)冷卻水溫度變化→槽壁溫度變化→反應(yīng)槽溫度變化解決方法夾套冷卻水溫度T2比反應(yīng)槽溫度T1能更快地感受到來自干擾（冷卻水入口溫度）以及來自控制的影響。因而可設(shè)計夾套水溫單回路控制系統(tǒng)TC2以盡快地克服冷卻水方面的擾動。但TC2的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)T1的控制要求作相應(yīng)的變化（這一要求可用反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)器TC1來自動實(shí)現(xiàn)）。“串級控制”反應(yīng)器溫度的串級控制方案特點(diǎn)：兩個調(diào)節(jié)器串在一起工作，調(diào)節(jié)器TC2通過調(diào)節(jié)冷卻劑量以克服冷卻水方面的擾動；調(diào)節(jié)器TC1通過調(diào)節(jié)夾套內(nèi)水溫的設(shè)定值以保證反應(yīng)溫度維持在工藝所希望的某一給定值。反應(yīng)器溫度的串級控制響應(yīng)反應(yīng)器溫度串級控制框圖討論:主副控制器的“正反作用”選擇。直流電機(jī)雙環(huán)控制雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR-電流調(diào)節(jié)器TA-電流互感器

串級控制系統(tǒng)常用術(shù)語串級控制系統(tǒng)方塊圖注：D1、D2綜合反映了一次擾動、二次擾動對控制系統(tǒng)副參數(shù)與主參數(shù)的動態(tài)影響；主回路是指：副回路閉合狀態(tài)下等效的單回路（將副回路看成是一個等效的控制閥）。

6.1.2串級控制系統(tǒng)分析

串級系統(tǒng)副環(huán)的等效性串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）副回路（有時稱內(nèi)環(huán)）具有快速調(diào)節(jié)作用，它能有效地克服二次擾動的影響；由于假設(shè)副回路的動態(tài)滯后較小，對于低頻干擾，有反應(yīng)器溫度的串級控制響應(yīng)串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（2）能自動地克服副對象增益或調(diào)節(jié)閥特性的非線性對控制性能的影響（系統(tǒng)的“魯棒性”增強(qiáng)）。對于內(nèi)環(huán)等效對象的穩(wěn)態(tài)增益：串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（3）改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。在相同的衰減比下，主調(diào)節(jié)器的增益可顯著加大。副回路等效對象為：若：串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（3）結(jié)論：由于副回路的存在，使主控制通道的動態(tài)特性得到改善（時間常數(shù)顯著減少）反應(yīng)器溫度的串級控制響應(yīng)6.1.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計

（1）串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則單回路控制不能滿足性能要求；有反映系統(tǒng)主要干擾的可測副參數(shù)；副參數(shù)的選擇應(yīng)使副對象的時間常數(shù)比主對象的時間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏；盡可能將帶有非線性或時變特性的環(huán)節(jié)包含于副回路中。串級方案設(shè)計舉例

串級系統(tǒng)副參數(shù)的選擇分析分析問題：副回路的快速性與副回路所能包括的擾動范圍之間的矛盾。串級方案設(shè)計舉例串級方案設(shè)計舉例（續(xù)）討論：副回路所能包括的擾動越多，副對象與主對象的動態(tài)特性的差別越小，越容易引起內(nèi)外回路之間的“共振”（系統(tǒng)穩(wěn)定性越差）。考慮工藝的合理性和經(jīng)濟(jì)性丙烯冷卻器兩種不同串級控制方案(a)(b)TCLCLCPCTC（2）主、副控制器的選型副調(diào)節(jié)器常選擇PI控制律

原因：副回路為隨動系統(tǒng)，其設(shè)定值變化頻繁，一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服內(nèi)環(huán)中的各種擾動，為加大副回路的調(diào)節(jié)能力，理想上不用加積分作用。但實(shí)際運(yùn)行中，串級系統(tǒng)有時會斷開主回路，因而，通常需要加入積分作用。但積分作用要求較弱以保證副回路較強(qiáng)的抗干擾能力。主調(diào)節(jié)器常選擇PI或PID控制律

原因：主回路的任務(wù)是滿足主參數(shù)的定值控制要求。因而對于主參數(shù)為溫度的串級系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器必須加入較強(qiáng)的積分作用（除主參數(shù)為液位的串級均勻控制系統(tǒng)以外）。當(dāng)主對象的調(diào)節(jié)滯后較大，而主參數(shù)變化較平緩時，可加入通常大小的微分作用。（3）主、副控制器正、反作用選擇

選擇順序：先副后主副控制器：副回路按單回路獨(dú)立考慮，與主回路沒有關(guān)系。即從穩(wěn)定性考慮，開環(huán)放大倍數(shù)必須為“負(fù)”要求，知道副對象的符號，以及控制閥的符號。主控制器：考慮主環(huán)內(nèi)各個環(huán)節(jié)的符號情況主控制器、主對象，以及副回路。副回路可以看作是一個符號為“正”的環(huán)節(jié)——隨動系統(tǒng)，跟蹤主控制器的輸出。

因此，主控制器的符號主要取決于主對象的符號，即，主對象為“正”，則主控制器取“反”作用，主對象為“負(fù)”，則主控制器取“正”作用

加熱爐出口溫度與燃料壓力的串級控制系統(tǒng)PCTC副控制器：控制閥選“氣開”式——正副對象，壓力對象，閥門開大，負(fù)，反作用壓力上升——正變送器一般均為正主控制器：

副環(huán)——正主對象，溫度對象，燃料壓力增大時，燃料量增加，負(fù)，反作用出口溫度上升——正(4)防積分飽和情況1：副回路出現(xiàn)“積分飽和”，采用單回路抗積分飽和方法；情況2：當(dāng)主副控制器均采用單回路抗積分飽和方法時，可能出現(xiàn)限位參數(shù)不一致的情形，同樣存在發(fā)生“積分飽和”的可能性。為什么？如何克服？串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器的連接法串級控制系統(tǒng)的防積分飽和（5）串級控制系統(tǒng)投運(yùn)及參數(shù)整定將主、副控制器的切換開關(guān)都置于手動；用副手操器操縱調(diào)節(jié)閥使生產(chǎn)處于要求的工況；修改主手操器使副偏差為0，將副控制器切換到自動；修改主控制器的設(shè)定值使主控制器的偏差為0，然后將主控制器切換到自動。串級系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法Step1:先斷開主回路，按單回路方式整定副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)。Step2:在主調(diào)節(jié)器為“手動”、副回路閉環(huán)的情況下，測試得到主回路廣義對象的動態(tài)特性與相應(yīng)特征參數(shù)。Step3:采用單回路調(diào)節(jié)參數(shù)的工程整定法（如動態(tài)響應(yīng)法），確定主回路的PID參數(shù)。6.1.4串級控制系統(tǒng)舉例串級控制系統(tǒng)不同控制方案串級控制系統(tǒng)方框圖串級控制的系統(tǒng)仿真對于采用串級控制的系統(tǒng)，假設(shè)副回路采用P控制，主回路采用PI控制，試用Simulink進(jìn)行仿真：對控制系統(tǒng)進(jìn)行PID參數(shù)整定當(dāng)干擾F2波動10%時，系統(tǒng)的控制效果如何？當(dāng)干擾F1波動10%時，系統(tǒng)的控制效果如何？當(dāng)設(shè)定值波動10%時，系統(tǒng)的控制效果如何？試對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。串級控制系統(tǒng)SIMULINK單回路控制系統(tǒng)SIMULINK設(shè)定值跟蹤不同的抗干擾能力比較（蒸汽壓力）不同的抗干擾能力比較（進(jìn)料量）控制系統(tǒng)魯棒性6.2非線性增益補(bǔ)償控制

主要內(nèi)容6.2.1非線性過程的特點(diǎn)6.2.2非線性補(bǔ)償方法6.2.3pH中和過程控制6.2.1非線性過程的特點(diǎn)調(diào)節(jié)器飽和特性、調(diào)節(jié)閥、檢測變送器對象本身特性非線性環(huán)節(jié)的輸入輸出特性控制通道靜態(tài)增益與負(fù)荷有關(guān)假設(shè)主要干擾為進(jìn)料流量。可寫出熱平衡方程:控制通道靜態(tài)增益:對象非線性對控制系統(tǒng)影響6.2.2非線性補(bǔ)償方法調(diào)節(jié)閥特性補(bǔ)償，以使廣義對象為近似線性；串級控制方式，以克服副回路的非線性；引入比值等中間參數(shù)，以主回路廣義對象的增益為近似線性；變增益控制器：通過引入對象增益的反函數(shù)以使系統(tǒng)的回路增益為線性；自適應(yīng)控制器：根據(jù)控制系統(tǒng)的性能自動調(diào)整控制器的增益，以使系統(tǒng)的回路增益為近似線性。（1）調(diào)節(jié)閥流量特性的正確選擇假設(shè)主要干擾為進(jìn)料流量?？蓪懗鰺崞胶夥匠?控制通道靜態(tài)增益:補(bǔ)償方法：通過合理選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性，實(shí)現(xiàn)廣義對象增益的近似線性。從靜態(tài)增益補(bǔ)償?shù)慕嵌瓤紤]：熱平衡方程:控制通道靜態(tài)增益:從動態(tài)特性變化的角度考慮：補(bǔ)償方法：通過引入串級控制方式，克服副回路中的非線性。（2）串級控制方式以克服副回路的非線性對于內(nèi)環(huán)等效對象的穩(wěn)態(tài)增益：補(bǔ)償方法：通過引入中間變量（本例中為蒸汽量與工藝物料量的比值），實(shí)現(xiàn)主對象增益的近似線性。（3）引入比值等中間變量使主對象近似為

線性系統(tǒng)溢流式中和反應(yīng)池6.2.3pH中和過程控制被調(diào)液體生成液中和液水分子離解化學(xué)平衡式基本知識：

pH中和過程滴定曲線pH中和過程的滴定曲線（續(xù)）pH中和過程的滴定曲線

pH中和過程的動態(tài)模型pH中和過程的動態(tài)模型（續(xù)）仿真實(shí)驗(yàn)過程:(1)t=60min，pH設(shè)定值從6.5提高至7.0;(2)t=110min，被調(diào)酸性液體的流量F1從30L/min下降至15L/min;(3)t=160min，被調(diào)液體pH值從5下降至4.5;(4)t=210min，中和液pH值從11下降至10.5.

pH過程的典型控制系統(tǒng)

（1）單回路PID控制（2）變比值串級PID控制比值控制仿真結(jié)果討論：由于pH中和過程非線性的特殊性，作為最常用的補(bǔ)償對象非線性的方法，通過選擇調(diào)節(jié)閥流量特性以實(shí)現(xiàn)廣義對象的近似線性難以奏效。而采用直接引入“非線性增益補(bǔ)償”環(huán)節(jié)的方法可自由地實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)開環(huán)增益的線性化。(3)

帶有不靈敏區(qū)的非線性PID控制非線性增益補(bǔ)償器非線性增益補(bǔ)償仿真(4)

引入非線性變換的線性化PID控制當(dāng)非線性主要由滴定曲線引起時，酸堿平衡濃度x與中和液流量呈近似線性。同時x和PH值存在著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。x=0時PH=7；x<0時PH<0；x>0時PH>0。6.3均勻控制均勻控制的概念與特點(diǎn)；常見的均勻控制系統(tǒng)；均勻控制系統(tǒng)的分析。6.3.1均勻控制的由來當(dāng)塔甲的進(jìn)料量qi(t)變化時，希望塔甲的液位h(t)與出料qo(t)同時平穩(wěn)，以確保塔乙進(jìn)料波動的減少。完全不同于單純的液位控制系統(tǒng)，要求液位與出料同時“均勻”地變化。均勻控制系統(tǒng)的特點(diǎn)不同于常規(guī)的定值控制系統(tǒng)，而對被控變量(CV)與操縱變量(MV)都有平穩(wěn)的要求；為解決CV與MV都希望平穩(wěn)這一對矛盾，只能要求CV與MV都漸變。均勻控制通常要求在最大干擾下，液位在貯罐的上下限內(nèi)波動，而流量應(yīng)在一定范圍內(nèi)平緩漸變。均勻控制指的是控制功能，而不是控制方案。6.3.2均勻控制的實(shí)現(xiàn)單回路均勻控制系統(tǒng)串級均勻控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)的分析假設(shè)流量回路調(diào)節(jié)迅速，對液位對象而言其動態(tài)滯后可忽略；并不考慮液位測量滯后。則廣義對象特性可表示成均勻控制系統(tǒng)的分析(續(xù)1)假設(shè)液位測量范圍為Hmax，進(jìn)出流量的測量范圍均為Qmax，則廣義對象特性可表示成其中h(t)、qi(t)、qo(t)分別為液位與進(jìn)出流量的歸一化值。均勻控制系統(tǒng)的分析(續(xù)2)對于純比例控制器Gc=－Kc，可得到的閉環(huán)特性為：純比例均勻控制系統(tǒng)的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)進(jìn)出物料的自動平衡；當(dāng)物料的平均停留時間Th一定時，控制器增益Kc的減少可使出料更加平緩，但使液位的波動與余差同時增大；為減少液位的調(diào)節(jié)余差，主控制器需要引入少量的積分作用。均勻控制系統(tǒng)仿真舉例6.3.3均勻控制的PID參數(shù)整定對于串級均勻控制系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器，應(yīng)選擇PI規(guī)律，按單回路工程整定法確定其PI參數(shù)。對于主調(diào)節(jié)器，一般應(yīng)選擇純比例規(guī)律，即積分時間足夠大。通過調(diào)整增益Kc以使出料盡可能地平緩，而同時確保液位不超出允許范圍。有時為減少液位的調(diào)節(jié)余差，可引入少量的積分作用，但積分時間應(yīng)大于純比例控制下系統(tǒng)對于主要擾動的恢復(fù)時間。當(dāng)液位測量噪聲較大時，為避免出料流量的同頻率波動，可對液位測量信號進(jìn)行低通濾波。6.4選擇性控制

主要內(nèi)容選擇性控制的分類；選擇性控制的設(shè)計方法選擇性控制的防積分飽和。選擇性控制分類超馳控制（OverrideControl），也稱約束控制（ConstraintControl） 特點(diǎn)：被控變量類型不同，通常有兩個以上的控制器，主要用于設(shè)備軟保護(hù)。被控變量選擇控制（SelectiveControl） 特點(diǎn)：被控變量類型相同，通常只有一個控制器，與單回路控制相近，只是控制器輸入由多個測量信號選擇得到。超馳控制概念“超馳控制系統(tǒng)”的被控變量往往包括：一個常規(guī)被控變量，需要進(jìn)行定值控制；一個區(qū)間約束變量，正常工況下無需控制，但一旦超出允許范圍就需要及時加以調(diào)節(jié)，以防止事故的發(fā)生。“超馳控制系統(tǒng)”的操縱變量往往只有一個，因此，控制系統(tǒng)需要隨時針對實(shí)際情況，選擇某一個被控變量加以控制。6.4.1用于設(shè)備軟保護(hù)的選擇控制如何實(shí)現(xiàn)待冷卻物料溫度的控制，并保證液氨不滿罐?液氨蒸發(fā)器的選擇性控制控制器正反作用的選擇；選擇器(低選器LS或高選器HS)的選擇。選擇性控制系統(tǒng)方塊圖選擇性控制的防積分飽和抗積分飽和方法：當(dāng)某一控制器起作用時，讓另一備用控制器的輸出跟蹤起作用控制器的輸出，從而避免備用控制器的積分累加。選擇性控制防積分飽和的實(shí)現(xiàn)6.4.2其它選擇性控制系統(tǒng)

(1)用于被控變量測量值的選擇熱點(diǎn)溫度的選擇性控制6.5分程控制系統(tǒng)和閥位控制系統(tǒng)分程控制的特點(diǎn)與適用場合；分程區(qū)間的確定方法；閥位控制的概念與設(shè)計方法。6.5.1分程控制系統(tǒng)控制器輸出在0.06Mpa以下，只有閥A動作，在0.06Mpa以上，只有閥B動作一個控制器控制幾個控制閥——輸出信號分段“分程控制”如，控制兩個閥A、BA閥控制信號:0.02~0.06MpaB閥控制信號:0.06~0.1MpaA：0.02~0.06Mpa——0~100%B：0.06~0.1Mpa——0~100%

根據(jù)各閥的氣開、氣閉形式不同，決定閥的行程方向

兩閥同向動作

兩閥異向動作

通過閥門定位器調(diào)整0100%100%00100%0100%

（1）用于擴(kuò)大控制閥可調(diào)范圍的情況：兩個閥分程使用，擴(kuò)大了流通能力兩個流通能力相同的閥，同調(diào)節(jié)蒸汽壓力，小負(fù)荷時，只開一個閥，大負(fù)荷時，再開第2個閥。通過計算，如果兩個閥流通能力相同，分程后，總的流通能力擴(kuò)大1倍。

PC（2）同時控制兩種介質(zhì)，滿足工藝要求間歇式化學(xué)反應(yīng)器分程控制系統(tǒng)

TCABA.CA.OAB貯罐氣封分程控制貯罐氣封分程動作過程1、控制閥引入不靈敏區(qū)。2、同時，控制器引入調(diào)節(jié)死區(qū)如何避免兩調(diào)節(jié)閥的頻繁開閉以減少N2用量?6.5.2閥位控制系統(tǒng)的應(yīng)用

原油加熱爐出口溫度控制工作原理：TTC輸出VBTVPC輸出()VAT()T=TspVA處于某一新開度，VB處于VPC所設(shè)置的小開度rTCVPCBAA.OA.O

A：燃料量，經(jīng)濟(jì)合理，閥位控制器

B：支管原油量，快速有效，主控制器TTC輸出VBTVPC輸出()VAT()TCVPCBAA.OA.O工作原理：總結(jié)：干擾出現(xiàn)，由快速變量迅速使被控量回到給定，然后，由經(jīng)濟(jì)變量調(diào)整，最終使快速變量回到原來值，而整個控制任務(wù)都又經(jīng)濟(jì)量完成。內(nèi)容引言7.1相對增益7.2耦合系統(tǒng)的變量配對與控制參數(shù)整定7.3多回路系統(tǒng)的解耦設(shè)計引言

多變量控制系統(tǒng)設(shè)計方法單變量控制系統(tǒng)（多回路控制） 方法簡單，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)不強(qiáng)時，如果配對正確，而且參數(shù)整定合適，應(yīng)用效果良好，較強(qiáng)的魯棒性。解耦控制 方法較復(fù)雜，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)較強(qiáng)時，如果對象模型基本正確，可應(yīng)用于實(shí)際過程，但魯棒性較弱。多變量控制 方法眾多，相對復(fù)雜，可適用于各種實(shí)際過程，但魯棒性較弱，通常要求建立對象模型。多變量系統(tǒng)中的耦合基本問題：若采用SISO控制器，如何進(jìn)行輸入輸出變量之間的配對？調(diào)和過程多回路PID控制7.1相對增益

相對增益的概念第一放大系數(shù)pij：在其它控制量ur(r≠j)均不變的前提下，uj

對yi

的開環(huán)增益第二放大系數(shù)pij：在利用控制回路使其它被控量yr(r≠i)均不變的前提下，uj

對yi

的開環(huán)增益相對增益的概念（續(xù)）

uj至yi通道的相對增益：

相對增益矩陣：相對增益系數(shù)的計算方法1輸入輸出穩(wěn)態(tài)方程相對增益系數(shù)的計算方法2注：上述計算公式中的“●”為兩矩陣對應(yīng)元素的相乘！相對增益系數(shù)的計算方法2(續(xù))例如：穩(wěn)態(tài)增益：練習(xí)：計算λ11，λ33，λ12，λ31?其中det

P是矩陣P的行列式；Pij是矩陣P的代數(shù)余子式。相對增益矩陣的歸一性相對增益矩陣中每行或每列的總和均為1；若相對增益矩陣中，某些元素>1，則對應(yīng)行與列中必然有某些元素<0;λij反映了通道uj與yi之間的穩(wěn)態(tài)增益受其它回路的影響程度.相對增益與耦合程度當(dāng)通道的相對增益接近于1，例如0.8<λij<1.2，則表明其它通道對該通道的關(guān)聯(lián)作用很小;當(dāng)相對增益小于零或接近于零時，說明使用本通道調(diào)節(jié)器不能得到良好的控制效果?；蛘哒f，這個通道的變量選配不適當(dāng)，應(yīng)重新選擇。當(dāng)相對增益在0.3到0.7之間或者大于1.5時，則表明系統(tǒng)中存在著非常嚴(yán)重的耦合。需要考慮進(jìn)行解耦設(shè)計或采用多變量控制系統(tǒng)設(shè)計方法。7.2耦合系統(tǒng)的變量配對與控制參數(shù)整定

變量配對舉例(調(diào)和過程)為非線性系統(tǒng)！變量配對舉例（續(xù)）1.設(shè)定穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)：Q0（u10,u20,y10,y20）2.穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)Q0附近偏差化變量配對舉例（續(xù)）3.工作點(diǎn)Q0附近線性化變量配對舉例（續(xù)）4.對于穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)Q0計算某一相對增益：變量配對舉例（續(xù)）5.利用相對增益的性質(zhì)計算相對增益矩陣：變量配對舉例（續(xù)）6.進(jìn)行合適的變量配對(假設(shè)C1>y20>C2)：變量配對舉例（續(xù)）7.分析結(jié)論(假設(shè)C1>y20>C2)：（1）變量配對：用量大的操作變量控總流量；用量小的操作變量控濃度。（2）若用量大的操作變量占總流量75%以上，則只要用常規(guī)多回路就可以；否則，若兩種進(jìn)料量接近，則需要采用非常規(guī)方法，例如解耦設(shè)計。調(diào)和過程工況舉例1F1=80T/hr，F(xiàn)2=20T/hr，F(xiàn)

=100T/hr；C1=75%， C2=25%，C

=64%。相對增益矩陣為：輸入輸出的正確配對：多回路控制方案#1（F-F1,C-F2）調(diào)和過程多回路控制模型#1多回路控制方案#1的閉環(huán)響應(yīng)多回路控制方案#2（C-F1,F-F2）調(diào)和過程多回路控制模型#2多回路控制方案#2的閉環(huán)響應(yīng)7.3多回路系統(tǒng)的解耦設(shè)計

耦合過程的控制系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)合適輸入輸出變量配對后，若關(guān)聯(lián)不大，則可采用常規(guī)的多回路PID控制器；盡管系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關(guān)聯(lián)嚴(yán)重，但主要控制通道動態(tài)特性差別較大，仍可通過調(diào)整PID參數(shù)，使各回路的工作頻率拉開；若系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關(guān)聯(lián)嚴(yán)重，而且動態(tài)特性相近，則需要進(jìn)行解耦設(shè)計。解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計

串級解耦串級解耦傳遞矩陣串級解耦傳遞矩陣（續(xù)）串級解耦得到的獨(dú)立子系統(tǒng)解耦器設(shè)計依據(jù)取值可以有以下解耦設(shè)計1.對角矩陣法2.單位矩陣法3.簡化對角矩陣法解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計

對角矩陣法解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計

單位矩陣法解耦控制系統(tǒng)的簡化設(shè)計解耦控制系統(tǒng)的簡化設(shè)計

（穩(wěn)態(tài)解耦法）解耦控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1：初始化問題問題：若u1,u2為“手動”時，如何設(shè)定基本控制器Gc1輸出的初始值，以便無擾動地投入“自動”？解耦控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2：約束問題問題：當(dāng)兩回路均為“自動”時，若u2在運(yùn)行過程中受到了約束，兩控制器有可能都驅(qū)使u1趨向約束。解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計

前饋補(bǔ)償法解耦原理：使y1與uc2無關(guān)聯(lián)；使y2與uc1無關(guān)聯(lián)解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計

前饋補(bǔ)償法（續(xù)）改進(jìn)的前饋解耦控制方案調(diào)和過程的解耦控制舉例調(diào)和過程解耦控制系統(tǒng)仿真被控過程：穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)：Q0（u10,u20,y10,y20）調(diào)和過程解耦控制仿真（續(xù)）模型：相對增益矩陣：問題：如何進(jìn)行變量配對與解耦控制系統(tǒng)設(shè)計？調(diào)和過程多回路控制仿真模型#3調(diào)和過程多回路控制響應(yīng)調(diào)和過程動態(tài)線性前饋解耦方案動態(tài)線性解耦閉環(huán)響應(yīng)

解耦系統(tǒng)的簡化

調(diào)和過程線性靜態(tài)解耦方案線性靜態(tài)解耦系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)調(diào)和過程的部分靜態(tài)解耦方案部分靜態(tài)解耦系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)非線性靜態(tài)解耦的一般結(jié)構(gòu)+調(diào)和過程的非線性靜態(tài)解耦若令+調(diào)和過程非線性靜態(tài)解耦（續(xù)）+調(diào)和過程的非線性完全解耦非線性完全解耦控制仿真模型非線性靜態(tài)解耦系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)小結(jié)應(yīng)通過關(guān)聯(lián)分析并選擇合適的輸入輸出配對:1.若關(guān)聯(lián)不大或主要控制通道動態(tài)特性差別較大，則可采用常規(guī)的多回路PID控制器；2.若系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關(guān)聯(lián)嚴(yán)重，而且動態(tài)特性相近，則需要進(jìn)