《過程控制工程》緒論

“ProcessControlEngineering”教學要求了解控制系統的設計目的，掌握控制系統方塊圖描述法掌握過程對象的建模方法掌握PID類常規控制策略，能夠結合具體的工業過程設計合理的控制方案掌握控制系統的分析方法了解先進控制算法，掌握其設計思想、概念、特點及適用場合課程考核與參考資料考核：平時成績50%，包括出勤、平時練習、綜合練習等；期末考試（閉卷）50%主要參考資料：

1、王樹青等編著，工業過程控制工程.北京：化學工業出版社，2002.12

2、金以慧主編，過程控制.北京：清華大學出版社，1993.04答疑：周一下午2:30-5:00;地點：工控所老樓403（助教：覃旭松）本章要求了解控制系統的設計目的結合具體對象，掌握單回路控制系統的方塊圖描述法，并掌握方塊圖中線與方框圖的物理意義掌握過程控制中的常用術語（中英文）了解控制系統的主要分類與設計過程能夠結合具體對象，了解控制系統的組成控制系統的由來傳感測量器：液位計+人眼控制器：大腦執行機構：手+手動閥差壓傳感變送器電動調節器自動調節閥液位控制系統的組成與方塊圖問題：指出每一條連接線所對應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？熱交換器的溫度控制系統熱交換器溫度控制系統方塊圖一般的單回路控制系統被控變量：溫度、壓力、流量、液位或料位、成分與物性等六大參數；過程控制系統的重要術語被控變量/受控變量/過程變量

（ControlledVariable-CV,ProcessVariable-PV）設定值/給定值

(Setpoint-SP,SetpointValue-SV)操縱變量/操作變量(ManipulatedVariable,MV)擾動/擾動變量

(DisturbanceVariable,DV)對控制器而言，測量/測量信號(Measurement)，控制/控制信號/控制變量（ControlVariable）控制系統的目標過程控制系統的目標： 在擾動存在的情況下，通過調節操縱變量使被控變量保持在其設定值。應用過程控制系統的主要原因：

（1）安全性：確保生產過程中人身與設備的安全，保護或減少生產過程對環境的影響； （2）穩定性：確保產品質量與產量的長期穩定，以抑制各種外部干擾； （3）經濟性：實現效益最大化或成本最小化。控制系統的分類定值控制（RegulatoryControl,“調節控制”）與伺服控制（ServoControl,“跟蹤控制”） 對照舉例：連續過程與間歇過程（BatchProcesses）或飛行控制。前饋控制（FeedforwardControl）與反饋控制（FeedbackControl）

對照舉例：熱交換器的出口溫度控制。前饋與反饋控制系統舉例控制系統的分類（續）開關量控制（SwitchControl）與連續量控制（ContinuousControl） 舉例：空調器的控制連續時間控制（Continuous-TimeControl）與離散時間控制（Discrete-TimeControl,也稱“采樣控制”/“數字控制”）

舉例：計算機控制系統多變量控制與單變量多回路控制線性控制與非線性控制等控制系統的設計與實施確定控制目標：依據生產過程安全性、經濟性與穩定性的要求，針對具體工業對象確定控制目標；選擇被控變量：選擇與控制目標直接或間接相關的可測量參數作為控制系統的被控變量；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節作用盡可能大而快；確定控制方案：當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；也可以將系統分解成幾個SISO（單輸入單輸出）子系統再進行設計（當然這里存在最佳分解問題）。控制系統的設計與實施（續）調節閥的選擇：根據被控變量與操作變量的工藝條件及對象特性，選擇合適大小與流量特性的調節閥；控制算法的選擇：依據控制方案選擇合適的控制算法。通常對于SISO系統，PID控制算法能滿足大部分情況；而對于MIMO系統，可采用的控制算法很多，但一般都需要對象模型，僅適用于計算機控制系統。控制系統的調試和投用：控制系統安裝完畢后，按控制要求檢查和調整各控制儀表和設備的工作狀況(包括控制器參數的在線整定)，依次將其投入運行。舉例：精餾塔控制系統控制目標CV、MV選擇控制系統調試與投用控制方案控制算法常用控制算法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：主要適用于SISO系統、基本上不需要對象的動態模型、結構簡單、在線調整方便。APC類（先進控制方法，包括：解耦控制、內模控制、預測控制、自適應控制等）， 特點：主要適用于MIMO或大純滯后SISO系統、需要動態模型、結構復雜、在線計算量大。過程控制與其它相關學科習題p.18,習題2-4PID反饋控制器

(PIDFeedbackControllers)2004/02/25上一講內容回顧了解典型工業過程的動態特性類型；掌握簡單被控過程的機理建模方法；掌握調節閥“氣開、氣關”形式與流量特性的選擇原則；掌握“廣義對象”概念及其動態特性的典型測試方法。習題2-4討論對于如圖所示的加熱爐溫度控制系統，試(1)指出該系統中的被控變量、操縱變量、擾動變量與控制目標;(2)畫出該系統的方塊圖；(3)選擇控制閥的“氣開-氣關”形式;(4)指出該控制系統的“廣義對象”及物理意義。溫度控制系統方塊圖1特點：各環節均用實際儀表、設備或裝置來表示，被控對象用受控設備來表示，不反映操縱變量、干擾對被控變量的影響關系。溫度控制系統方塊圖2特點：采用傳遞函數與環節名稱混合表示，對象用被控過程的動態特性來表示。溫度控制系統方塊圖3特點：對象用被控過程的動態特性來表示，其中除控制通道外，所有干擾對被控變量的影響只用一個輸出擾動來近似。當然，各環節可以只用傳遞函數來表示。廣義對象的階躍響應測試“廣義對象”的輸入：u，輸出為Tm。若機理建模有難度，就可采用常用的響應測試法.對象特性的階躍響應測試假設溫度測量變送器的量程為200~400℃,對象特性可用以下一階+純滯后來表示,試確定其Kp,Tp,τ。對象特性參數的確定假設溫度測量變送器的量程為200~400℃。本講基本要求掌握仿真系統SimuLink的使用方法;掌握單回路控制器“正反作用”的選擇原則；掌握單回路控制系統的常用性能指標；掌握PID控制律的意義及與控制性能的關系。仿真系統SimuLink的使用入門假設控制輸入u(t)與干擾輸入d(t)均為階躍信號，要求顯示輸入對被控變量y(t)及其測量z(t)的動態響應。仿真系統SimuLink的使用技巧熟悉與掌握系統所提供的SimuLink常用模塊，如輸入信號、輸出顯示、傳遞函數模塊、常用數學函數等；掌握SimuLink運行數據與Matlab數據平臺的聯結，以及Matlab常用的作圖方法；掌握子系統的封裝技術（包括外觀設計、參數設置、注釋等）；掌握自定義模塊的運行機制、設計方法與封裝技術。控制器的“正反作用”選擇問題問題：如何構成一個負反饋控制系統？控制器的“正反作用”選擇定義：當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：使控制回路成為“負反饋”系統。選擇方法為：（1）假設檢驗法，先假設控制器的作用方向，再檢查控制回路能否成為“負反饋”系統；（2）回路判別法，先畫出控制系統的方塊圖，并確定回路除控制器外的各環節作用方向，再確定控制器的正反作用。控制器的作用方向選擇：

假設檢驗法根據控制閥的“氣開氣關”的選擇原則，該閥應選“氣開閥”，即：u↑→Rf↑.(Why?)假設溫度控制器為正作用，即：Tm↑→u↑；則結論：該控制器的作用方向不能為正作用，而應為反作用.控制器的作用方向選擇：

回路判別法回路判別法的要點：（1）反饋回路中負增益環節（包括比較器）數為奇數；（2）對控制器而言，“正作用”是指Tm↑→u↑。控制系統的性能評價仿真程序見../Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl討論：如何評價或比較不同控制系統的性能？控制系統常用的性能指標穩態余差：衰減比：振蕩周期T，調節時間ts.上升時間tr,峰值時間tp.純比例控制器控制器增益Kc或比例度δ對系統性能的影響：增益Kc

的增大（或比例度δ下降），使系統的調節作用增強，但穩定性下降（當系統穩定時，調節頻率提高、最大偏差下降）；仿真結果參見../Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl比例增益對控制性能的影響比例積分控制器積分時間Ti對系統性能的影響

引入積分作用的根本目的是為了消除穩態余差，但使控制系統的穩定性下降。當積分作用過強時（即Ti過小），可能使控制系統不穩定。仿真結果參見../Simulation/PIDControl/PILoop.mdl積分作用對控制性能的影響理想的比例積分微分控制器微分時間Td對系統性能的影響 微分作用的增強（即Td增大），從理論上講使系統的超前作用增強，穩定性得到加強，但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特性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問題：控制作用的變化過大，對噪聲敏感，如何克服？實際的比例積分微分控制器其中Ad

為微分增益SimuLink結構:PID控制系統仿真舉例仿真結果參見../Simulation/PIDControl/PIDLoop.mdl結論討論仿真系統SimuLink的使用方法;介紹了單回路控制器“正反作用”的選擇原則；描述了單回路系統的常用性能指標；通過仿真討論了PID控制律的意義及與控制性能的關系。思考題對于一般的自衡過程，分析采用純比例控制器存在穩態余差的原因；引入積分作用可消除穩態余差的原因分析，以及為什么引入積分作用會降低閉環控制系統的穩定性？引入微分作用可提高控制系統的穩定性，但為什么實際工業過程中應用并不多？如何確定PID參數？過程動態特性建模與分析

（ProcessCharacteristics）2004/02/15上一講內容回顧控制系統的設計目的單回路控制系統的組成、方塊圖描述法及方塊圖中線與方框圖的物理意義過程控制中的常用術語（中英文）控制系統的主要分類與設計過程復習題對于如圖所示的壓力控制系統，假設貯罐溫度不變，主要干擾為P1、P2。試指出該系統中的被控變量、操縱變量、擾動變量與被控對象，并畫出該系統的方塊圖。本講基本要求了解典型工業過程的動態特性類型；掌握簡單被控過程的機理建模方法；掌握調節閥“氣開、氣關”形式與流量特性的選擇原則；掌握“廣義對象”概念及其動態特性的典型測試方法。單回路控制系統組成被控對象動態建模方法機理建模

原理：根據過程的工藝機理，寫出各種有關的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流體流動、傳熱、傳質等基本規律的運動方程，由此獲得被控對象的動態數學模型。

特點：概念明確、適用范圍寬，要求對該過程機理明確。測試建模

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，同時記錄相關的輸入輸出數據，再對這些數據進行處理，由此獲得對象的動態模型。

特點：無需深入了解過程機理，但適用范圍小，模型準確性有限。對象機理建模舉例#1（p.28）

物料平衡方程：

流體運動方程：討論問題：（1）線性化的意義？如何線性化？（2）如何用Matlab或SimuLink表示該過程？（參見Simulation\ProcessModel\LevelProcess01.mdl）對象機理建模舉例#2

物料平衡方程：

流體運動方程：仿真參見\ProcessModel\LevelProcess02.mdl問題：狀態方程？線性化？機理建模舉例#3：非自衡過程物料平衡方程：氣動調節閥的結構u(t)：控制器輸出(4~20mA或0~10mADC)；pc：調節閥氣動控制信號；l：閥桿相對位置；f：相對流通面積；q：受調節閥影響的管路相對流量。閥門的“氣開”與“氣關”1.氣開閥與氣關閥*氣開閥：pc↑→f↑(“有氣則開”)*氣關閥：pc↑→f↓(“有氣則關”)無氣源(pc=0)時，氣開閥全關，氣關閥全開。2.氣開閥與氣關閥的選擇原則*若無氣源時，希望閥全關，則應選擇氣開閥，如加熱爐瓦斯氣調節閥；若無氣源時，希望閥全開，則應選擇氣關閥，如加熱爐進風蝶閥。調節閥的結構特性調節閥結構特性：閥芯與閥座間的節流面積和閥門開度之間的函數關系。f為相對節流面積；l為相對開度：

線性閥（線1）：等百分比閥或稱對數閥（線2）：調節閥的工作流量特性分析閥阻比S100：調節閥全開時的兩端壓降與系統總壓降之比，即調節閥工作流量特性（續）線性閥的特性變異對數閥的特性變異調節閥流量特性總結

線性閥：在理想情況下，調節閥的放大增益Kv與閥門開度無關；而隨著管路系統閥阻比的減少，當開度到達50~70%時，流量已接近其全開時的數值，即Kv隨著開度的增大而顯著下降。

對數閥：在理想情況下，調節閥的放大增益Kv隨著閥門開度的增大而增加；而隨著管路系統閥阻比的減少，Kv漸近于常數。調節閥流量特性的選擇原則選擇原則：僅當對象特性近似線性而且閥阻比大于0.60

以上（即調節閥兩端的壓差基本不變），才選擇線性閥，如液位控制系統；其他情況大都應選擇對數閥。熱平衡方程：Kp：控制通道增益“廣義對象”的概念“廣義對象”的特點特點：（1）使控制系統的設計與分析簡化；（2）廣義對象的輸入輸出通常可測量，以便于 測試其動態特性；（3）只關心某些特定的輸入輸出變量。“廣義對象”動態特性的

階躍響應測試法*典型自衡工業對象的階躍響應對象的近似模型：對應參數見左圖，而增益為：[ymin,ymax]為CV的測量范圍；[umin,umax]為MV的變化范圍，對于閥位開度通常用0~100%表示。“廣義對象”動態特性的

矩形脈沖響應測試法SISO對象模型構造與動態響應仿真參見\ProcessModel\OpenLoopResp.mdl過程控制廣義對象動態特性分類自衡過程（Self-RegulatingProcesses）

(1)無振蕩的自衡過程

(2)有振蕩的自衡過程非自衡過程（Non-Self-RegulatingProcesses）

(1)無振蕩的非自衡過程

(2)有振蕩的非自衡過程

(3)具有反向特性的非自衡過程無振蕩自衡過程模型無振蕩非自衡過程模型具有反向特性的非自衡過程模型工業過程控制對象的特點除液位對象外的大多數被控對象本身是穩定自衡對象；對象動態特性存在不同程度的純遲延；對象的階躍響應通常為單調曲線，除流量對象外的被調量的變化相對緩慢；被控對象往往具有非線性、不確定性與時變等特性。結論介紹了簡單被控過程的機理建模方法與線性化問題；討論了調節閥“氣開、氣關”形式與流量特性的選擇原則；講述了“廣義對象”的概念及其動態特性的典型測試方法；列舉了工業過程的典型動態特性類型與通道模型。習題1.p.37,習題3-42.p.38,習題3-8（若可能，請用Matlab作圖）3.p.58,習題4-9PID控制器的

參數整定與應用問題2004/03/08上一講內容回顧討論仿真系統SimuLink的使用方法;介紹了單回路控制器“正反作用”的選擇原則；描述了單回路系統的常用性能指標；通過仿真討論了PID控制律的意義及與控制性能的關系。控制器的“正反作用”選擇問題:如何選擇控制閥的“氣開氣關”？如何選擇溫度控制器的正反作用，以使閉環系統為負反饋系統？PID控制器的物理意義討論對于一般的自衡過程，當設定值或擾動發生階路變化時，為什么采用純比例控制器會存在穩態余差？引入積分作用的目的是什么，為什么引入積分作用會降低閉環控制系統的穩定性？引入微分作用的目的是什么，為什么實際工業過程中應用并不多？本講基本要求了解PID控制規律的選取原則,掌握單回路PID控制器的參數整定方法,了解PID控制器的“防積分飽和”與“無擾動切換”技術,了解PID參數的自整定方法。控制器增益Kc或比例度δ

增益Kc

的增大（或比例度δ下降），使系統的調節作用增強，但穩定性下降；積分時間Ti

積分作用的增強（即Ti下降），使系統消除余差的能力加強，但控制系統的穩定性下降；微分時間Td

微分作用增強（即Td增大），可使系統的超前作用增強，穩定性得到加強，但對高頻噪聲起放大作用，主要適合于特性滯后較大的廣義對象，如溫度對象等。PID參數對控制性能的影響工業PID控制器的選擇*1：當工業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，則應先對測量信號進行一階或平均濾波。討論：選擇原則分析。PID工程整定法1-經驗法 針對被控變量類型的不同，選擇不同的PID參數初始值，投運后再作調整。盡管簡單，但即使對于同一類型的被控變量，如溫度系統，其控制通道的動態特性差別可能很大，因而經驗法屬最為“粗糙”的整定法。 （具體整定參數原則見p.65表5.3-1）工程整定法2-臨界比例度法步驟：（1）先將切除PID控制器中的積分與微分作用，取比例增益KC較小值，并投入閉環運行； （2）將KC由小到大變化，對應于某一KC值作小幅度的設定值階躍響應，直至產生等幅振蕩； （3）設等幅振蕩時振蕩周期為Tcr、控制器增益Kcr

，再根據控制器類型選擇以下PID參數。控制規律KcTiTdP0.5KcrPI0.45Kcr0.83TcrPID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr單回路PID參數整定仿真舉例SimuLink仿真程序參見..\PIDControl\PIDLoop.mdl）工程整定法3-響應曲線法*臨界比例度法的局限性： 生產過程有時不允許出現等幅振蕩，或者無法產生正常操作范圍內的等幅振蕩。響應曲線法PID參數整定步驟： （1）在手動狀態下，改變控制器輸出（通常采用階躍 變化），記錄被控變量的響應曲線； （2）由開環響應曲線獲得單位階躍響應曲線，并求取 “廣義對象”的近似模型與模型參數； （3）根據控制器類型與對象模型，選擇PID參數并投 入閉環運行。在運行過程中，可對增益作調整。“廣義對象”動態特性的

階躍響應測試法*典型自衡工業對象的階躍響應對象的近似模型：對應參數見左圖，而增益為：[ymin,ymax]為CV的測量范圍；[umin,umax]為MV的變化范圍，對于閥位開度通常用0~100%表示。Ziegler-Nichols參數整定法*特點：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曲線可用“一階+純滯后”來近似。整定公式：響應曲線法舉例SimuLink仿真程序參見..\PIDControl

\PIDLoop.mdl）假設測量范圍為200~400℃,K=1.75,T=10min,τ=7min.Kc=0.8,Ti=14min,Td=3.5min.響應曲線法舉例（續）對于無顯著純滯后的自衡對象

PID參數整定法（1/4準則）*特點：適合于純滯后不顯著的自衡對象，而且廣義對象的階躍響應為“S”型曲線。初始整定參數：Ts

為對象開環階躍響應的過渡過程時間。參數調整：將上述PID控制器投入“Auto”（自動）方式，并適當改變控制回路的設定值，觀察控制系統跟蹤性能。若響應過慢且無超調，則適當加大KC，例如增大到原來的兩倍；反之，則減小KC值。響應曲線1/4準則法舉例SimuLink仿真程序參見..\

PIDControl

\

PIDLoop.mdl單回路系統的“積分飽和”問題問題：當存在大的外部擾動時，很有可能出現控制閥調節能力不夠的情況，即使控制閥全開或全關，仍不能消除被控輸出y(t)與設定值ysp(t)之間的誤差。此時，由于積分作用的存在，使調節器輸出u(t)無限制地增大或減少，直至達到極限值。而當擾動恢復正常時，由于u(t)在可調范圍以外，不能馬上起調節作用；等待一定時間后，系統才能恢復正常。單回路系統積分飽和現象舉例單回路PID控制系統（無抗積分飽和措施）(參見模型…/PIDControl/PidLoopwithLimit.mdl)單回路系統積分飽和仿真結果單回路系統的防積分飽和原理討論：正常情況為標準的PI控制算法；而當出現超限時，自動切除積分作用。單回路系統的抗積分飽和舉例(仿真模型參見…/PIDControl/PidLoopwithAntiInteSatur.mdl)手自動無擾動切換問題與實現實現方式：在Auto（自動）狀態，使手操器輸出等于調節器的輸出；而在Man（手動）時，使調節器輸出等于手操器的輸出；繼電器型PID自整定器原理具有繼電器型非線性控制系統問題：如何分析上述非線性系統產生等幅振蕩的條件？繼電器輸入輸出信號分析周期信號的Fourier級數展開一個以T為周期的函數f(t)可以展開為對齊次函數,有假設繼電器的幅值為d，則繼電器輸出的一次諧波為繼電器型控制系統等幅振蕩條件對于沒有滯環的繼電器非線性環節，假設該環節輸入的一次諧波振幅為a，則對繼電器輸入輸出的一次諧波，其增益為閉環繼電系統臨界穩定條件：對于繼電器控制器而言，其臨界增益為：臨界振蕩周期為Tcr。再由臨界比例度法自動確定PID參數.繼電器型PID自整定舉例具體參見…/PIDControl/PidLoopAutoTuning.mdl結論討論了PID控制規律的選取原則,詳細分析了單回路PID參數整定方法,介紹了PID控制器的“防積分飽和”與“無擾動切換”技術,分析了繼電器型PID參數自整定原理。練習題對于題圖5-1（p.68）所示的加熱爐出口溫度控制系統，假設變送器量程為200~300℃。試回答以下問題并說明理由：（1）燃料控制閥選用“氣開”閥還是“氣關閥”？（2）溫度控制器該選“正作用”還是“反作用”？（3）若在手動控制狀態，燃料控制閥風壓（或者說溫度控制器輸出電流）減少3%，爐出口溫度的變化過程如題5-8下表格所示。請確定“廣義對象”的特性參數K、T、τ。（4）若溫度控制器采用PID調節器，試確定PID參數，并給出SimuLink仿真曲線（假設設定值從270℃上升至280℃）。前饋控制系統

FeedforwardControl2004/03/25內容前饋控制的原理非線性靜態前饋控制的設計方法前饋控制系統的動態補償前饋反饋控制系統仿真舉例前饋控制的概念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。前饋控制方塊圖u

(t)、y

(t)分別表示控制變量與被控變量；

d(t)

表示某一外部干擾;GYD(s)、GYC(s)分別為干擾通道與控制通道的動態特性；

GFF(s)為前饋控制器的動態特性。控制目標：前饋不變性原理動態不變性：在擾動d(t)的作用下，被控量y(t)在整個過渡過程中始終保持不變，稱系統對于擾動d(t)具有動態不變性，即Y(s)/D(s)=0,（調節過程的動態和穩態偏差均為零，”理想情況“）。穩態不變性：在干擾d(t)作用下，被控量y(t)的動態偏差不等于零，而其穩態偏差為零，即Y(0)/D(0)=0，或者說y(t)在穩態工況下與擾動量d(t)無關。靜態前饋控制控制目標：保證過程輸出在穩態下補償外部擾動的影響，即實現“穩態不變性”。靜態前饋控制方式：線性靜態前饋：非線性靜態前饋：結合對象靜態模型獲得前饋控制器結構與參數。非線性靜態前饋控制穩態平衡關系：討論:前饋控制器的實現與相關測量儀表的影響前饋控制算法假設T1、T2的測量范圍為[T1min,T1max]、[T2min,T2max],RV、RF的測量范圍為[0,RVmax]、[0,RFmax]；而各測量信號T1m、T2m

、RVm、RFm及設定值均為0~100%.換熱器動態仿真模型(參見模型…/FFControl/ExHeater.mdl)靜態工作點:T1=20℃,RF=10T/hr,RV=2T/hr,Kv=800,T2=180℃.T2儀表量程為100~300℃,RV儀表量程為0~5T/hr.干擾通道純滯后可忽略,控制通道純滯后為2.5min.換熱器的靜態前饋控制器假設靜態工作點為:T1=20℃,RF=10T/hr,RV=2T/hr,Kv=800,T2=180℃.T2的測量儀表量程為100~300℃,RV儀表量程為0~5T/hr，T1量程為0~50℃,RF儀表量程為0~20T/hr.則其靜態前饋控制算法為換熱器靜態前饋控制仿真討論：分析穩態不變性原理以及系數Kvm對前饋控制性能的影響，(參見模型…/FFControl/ExHeaterStaticFFC.mdl)前饋控制的動態補償討論：當控制通道與擾動通道的動態特性差異較大時，需要引入動態補償。對于線性系統，動態補償算法為這里，gYD(s)、gYC(s)分別表示通道特性的動態部分，其穩態增益均為1。非線性系統的動態前饋補償對于線性系統，動態前饋控制器可表示成靜態與動態兩部分：其中對于非線性系統，上式中靜態前饋部分可由對象的非線性靜態模型計算得到，而動態部分同樣可按線性對象處理。動態前饋補償的一般形式為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節，可實現系統輸出的不變性（但存在可實現問題）按偏差控制，存在偏差才能調節，（滯后調節）開環調節，無穩定性問題閉環調節，存在穩定性問題系統僅能感受有限個可測擾動系統可感受所有影響輸出的擾動對于干擾與控制通道的動態模型，要求已知而且準確對通道模型要求弱，大多數情況無需對象模型對時變與非線性對象的適應性弱對時變與非線性對象的適應性與魯棒性強換熱器的前饋反饋控制方案1換熱器的前饋反饋控制方案2特點：可克服對象的非線性，或具有變增益控制器的功能。換熱器反饋控制系統舉例(參見模型…/FFControl/ExHeaterPID.mdl)換熱器前饋反饋控制系統#1(參見模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID1.mdl)換熱器前饋反饋控制系統#2(參見模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID2.mdl)結論引入前饋控制的可能應用場合： （1）主要被控量不可測； （2）盡管被控量可測，但控制系統所受的干擾嚴重， 常規反饋控制系統難以滿足要求。應用前饋控制的前提條件： （1）主要干擾可測； （2）干擾通道的響應速度比控制通道慢，至少應接近； （3）干擾通道與控制通道的動態特性變化不大。練習題下圖所示的換熱器采用蒸汽加熱工藝介質，要求介質出口溫度達到規定的控制指標。試分析下列情況下應選擇哪一種控制方案，并畫出帶控制點的流程圖與方塊圖。（1）工藝介質流量GF與蒸汽閥前壓力PV均比較穩定；（2）介質流量GF比較穩定，但壓力PV波動較大；（3）蒸汽壓力PV比較穩定，但介質流量GF波動較大。比值控制

RatioControl2004/03/28比值控制內容比值控制問題的由來；常用的比值控制方案與系統結構；流量比值與比值器參數的關系；變比值控制系統的特點與應用場合；仿真舉例溶液配制問題問題：當NaoH用量QB變化時，調整稀釋水量QA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？）。一般的比值控制問題要求：QA

/QB

=KAB（比值系數）而QB為主動流量，QA為可控量，要求設計一控制系統通過調節QA以實現上述比值控制目標。比值控制系統方案1穩態條件:IA=K1IB假設流量測量變送環節為線性對象（對于用孔板測量的信號須經開方運算）。比值控制方案2穩態條件:K2IA=IB比值控制系統方案3穩態條件:K3=IA/

IB存在問題：物料A的流量回路存在非線性，當物料B的流量減少時，回路增益增大，有可能使系統不穩定，并可能出現“除零”運算。比值控制的邏輯提降量功能:(1)正常工況下實現鍋爐蒸汽壓力對燃料流量的串級控制，以及燃料與空氣流量的比值控制(2)提負荷時先提空氣，而降負荷時先降燃料量。分析要點：正常工況時，換熱器出口溫度

變比值串級控制系統系統功能：（1）變比值串級？（2）變增益串級？（3）前饋反饋串級控制？換熱器變比值串級控制仿真(參見模型…/FFControl/ExHeaterRatio_PID.mdl)結論討論了流量比值控制問題；介紹了常用的比值控制方案；分析了流量比值與比值器參數的關系；詳細列舉了燃燒控制中常用的邏輯提降量問題與解決方案；簡單介紹了變比值控制系統的特點與應用場合。練習題右圖表示了NaOH溶液的稀釋過程，輸入溶液濃度為20%，要求進一步用清水稀釋成濃度為5%的溶液。流量F1、F2的測量儀表均為線性變送器，儀表量程分別為0~30T/hr和0~120T/hr，并采用DDZ-Ⅲ型，K為比值計算單元。（1）求K值與流量比值的關系式；（2）根據所描述的工藝情況，確定K值；（3）若F1的變化范圍為10~20T/hr，試求取穩態條件下I2與I3的變化范圍（用mA表示）液位均勻系統2004/03/21上一講內容回顧介紹了串級控制系統的概念與特點；結合控制原理，具體分析了串級系統的抗干擾性能；討論了串級控制系統的設計原則；詳細介紹了串級控制系統的參數整定過程.問題討論串級控制的概念，說明與單回路控制的區別。以左圖的反應器為例，說明引入串級控制的意義。為什么引入串級控制可顯著減少內回路的干擾，并顯著提高控制系統魯棒性？如何選擇主副控制器的控制規律，如何整定PID參數？串級PID系統的積分飽和問題情況1：流量副回路出現“積分飽和”，可采用單回路抗積分飽和方法；情況2：當主副控制器均采用單回路抗積分飽和方法時，可能出現限位參數不一致的情形，同樣存在發生“積分飽和”的可能性。單回路系統的防積分飽和方法：正常情況為標準的PD+PI控制算法；而當出現超限時，通過限制積分作用達到切除積分作用的目的。單回路防積分飽和方法

在串級控制系統中的局限性串級PID控制系統（只采取單回路抗積分飽和措施）(參見模型…/CascadePID/CascadePidwithLimit.mdl)串級系統積分飽和現象仿真串級系統產生積分飽和的原因分析？串級控制系統主調節器

防積分飽和連接法串級控制系統的防積分飽和串級系統的防積分飽和方法舉例串級PID控制系統（采取抗積分飽和措施）(參見模型…/CascadePID/CasPidwithAntiSatur.mdl)串級系統防積分飽和措施舉例工業PID控制器常用結構功能:控制輸出跟蹤,防積分飽和,輸出限幅,正反作用選擇,測量值濾波,設定值變化率限幅等.均勻控制內容均勻控制的概念與特點；常見的均勻控制系統；均勻控制系統的應用場合；仿真舉例；結論均勻控制問題當塔甲的進料量變化時，希望塔甲的液位h(t)與出料qo(t)同時平穩，以確保后續設備進料波動的減少。這完全不同于單純的液位控制系統（那里只關心液位的平穩，而不關注控制變量的變化情況），而要求液位與出料同時“均勻”地變化。均勻控制系統的特點不同于常規的定值控制系統，而對被控變量(CV)與控制變量(MV)都有平穩的要求；為解決CV與MV都希望平穩這一對矛盾，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波動，而流量應在一定范圍內平緩漸變。均勻控制指的是控制功能，而不是控制方案。常用的均勻控制方案單回路均勻控制系統串級均勻控制系統討論：兩種方案有何不同？均勻控制系統的分析假設流量回路調節迅速，對液位對象而言其動態滯后可忽略；并不考慮液位測量滯后。則廣義對象特性可表示成A為塔底截面積均勻控制系統的分析(續)假設液位測量范圍為Hmax，進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)分別為液位與進出流量的歸一化值。均勻控制系統的分析(續)對于純比例控制器Gc=Kc，可得到的閉環特性為：純比例均勻控制系統的特點可實現進出物料的自動平衡；當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，但使液位的波動范圍與余差同時增大；為減少液位的調節余差，主控制器需要引入少量的積分作用。均勻控制系統的PID參數整定對于串級均勻控制系統的副調節器，應選擇PI規律，按單回路工程整定法確定其PI參數。對于主調節器，一般應選擇純比例規律，即積分時間足夠大。通過調整增益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節余差，可引入少量的積分作用。當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行低通濾波。均勻控制仿真舉例假設流量回路調節迅速，對液位對象而言其動態滯后可忽略；并不考慮液位測量滯后。則廣義對象特性可表示成A為塔底截面積均勻控制SimuLink仿真模型分析均勻控制與液位控制的控制目標與控制參數的不同(參見模型…/EqualControl/CascadePid.mdl)結論介紹了液位均勻控制的概念與特點；討論了常見的均勻控制系統；列舉了均勻控制系統的應用場合；通過仿真舉例分析了均勻控制與簡單液位控制在控制目標與控制器參數選擇方面的不同.選擇性控制與分程控制2004/04/06主要內容選擇性控制問題的由來；選擇性控制的設計方法與應用場合；分程控制的特點與適用場合；分程區間的確定方法；閥位控制的概念與設計方法。選擇性控制系統2004/04/06選擇性控制分類超馳控制（OverrideControl），也稱約束控制（ConstraintControl） 特點：被控變量類型不同，通常有兩個以上的控制器，主要用于設備軟保護。被控變量選擇控制（SelectiveControl） 特點：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。放熱反應器熱點溫度選擇控制超馳控制概念“超馳控制系統”的受控變量往往包括：一個常規受控變量，需要進行定值控制；一個區間約束變量，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節，以防止事故的發生。“超馳控制系統”的操作變量往往只有一個，因此，控制系統需要隨時針對實際情況，選擇某一個受控變量加以控制。液氨蒸發器的單回路控制液氨蒸發器的選擇控制系統問題：（1）調節閥氣開氣關特性的選擇；（2）控制器正反作用的選擇；（3）選擇器（低選器LS或高選器HS）的選擇。液氨蒸發器選擇控制方塊圖選擇控制系統的抗積分飽和抗積分飽和方法：當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。選擇控制系統抗積分飽和的實現分程與閥位控制系統2003/10/12間歇聚合反應器的控制問題控制要求：反應開始前，需要用蒸汽加熱以達到反應所需的溫度；當反應開始后，因放出大量反應熱，需要用冷水進行冷卻。要求全過程自動控制反應器的溫度？反應器溫度分程控制系統問題：（1）選擇兩調節閥的氣開氣關屬性；（2）溫度控制器的正反作用；（3）協調兩調節閥的動作；（4）如何克服廣義對象的非線性。反應器溫度控制系統

調節閥的分程動作關系工作過程：（1）當溫度偏低時，調節閥氣動信號增大。若冷水閥還未全關，則逐步關冷水閥；否則，開大蒸汽閥；（2）當溫度偏高時，調節閥氣動信號減少。若蒸汽閥還未全關，則逐步關蒸汽閥；否則，開大冷水閥；分程控制系統的非線性問題：分程控制系統非線性的補償補償原理：分程控制非線性補償方法補償原理：若貯罐氣封分程控制系統問題：（1）協調兩調節閥的動作；（2）如何避免兩調節閥的頻繁開閉以減少N2用量?貯罐氣封分程控制系統

分程動作過程避免兩調節閥頻繁開閉的方法：（1）控制閥引入不靈敏區。（2）同時，控制器引入調節死區（為什么？）分餾塔輕柴油

抽出塔板溫度控制問題問題：TIC203與輕柴油的產品質量關系密切，需要加以有效控制。但原控制方案中三通調節閥的調節能力不足，經常需要人工干預（手動調節一中回流量）。如何改進方案？要求：（1）確保TIC203的控制能力；（2）盡可能使一中回流經換熱器進行能量回收；（3）一中回流量作為穩定塔的熱源，希望波動盡可能小。輕柴油抽出板溫度

的雙重控制系統圖中VPC稱為“閥位控制器”，其測量值為主調節閥（本例中為三通調節閥）的開度。系統特點：（1）對主參數的控制能力顯著提高。與分程控制不同的是，兩調節閥可同時動作。（2）通過設定Vsp，可實現能量回收的最大化。多回路PID控制系統小結用于改善控制系統性能的多回路PID系統 （1）串級控制系統； （2）前饋控制系統； （3）變增益/變比值控制系統。用于滿足工藝特定需要的多回路PID系統 （1）均勻控制系統； （2）比值控制系統； （3）分程控制系統； （4）閥位控制系統； （5）選擇性控制系統。練習題如圖所示的精餾塔提餾段靈敏板溫度控制回路很可能引起液泛。假設液泛可以用塔底和塔頂壓力之差來表征（壓差太大表示可能存在液泛）。請在此基礎上設計一個液泛約束控制系統，以保證正常操作時按提餾段溫度調節加熱蒸汽流量，而當塔即將出現液泛時則要求調節加熱蒸汽流量確保不發生液泛。要求：（1）畫出帶控制點的流程圖與對應的方塊圖；（2）選擇調節器的正反作用。MIMO過程的解耦控制2002/04/23內容引言相對增益MIMO系統的變量匹配解耦控制系統的設計解耦控制系統的實施結論多變量控制系統設計方法單變量控制系統（多回路控制） 方法簡單，當系統關聯不強時，如果配對正確，而且參數整定合適，應用效果良好，較強的魯棒性。解耦控制 方法較復雜，當系統關聯較強時，如果對象模型基本正確，可應用于實際過程，但魯棒性較弱。多變量控制 方法眾多，相對復雜，可適用于各種實際過程，但魯棒性較弱，通常要求建立對象模型。多變量系統中的耦合基本問題：若采用SISO控制器，如何進行輸入輸出變量之間的配對？多回路PID控制相對增益的概念

第一放大系數pij：在其它控制量ur(r≠j)均不變的前提下，uj對yi的開環增益

第二放大系數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的開環增益相對增益的概念（續）

uj至yi通道的相對增益：

相對增益矩陣：相對增益系數的計算方法1輸入輸出穩態方程相對增益系數的計算方法2注：上述計算公式中的“●”為兩矩陣對應元素的相乘！相對增益系數的計算方法2(續)例如：穩態增益：練習：計算λ11，λ33，λ12，λ31?其中detP是矩陣P的行列式；Pij是矩陣P的代數余子式。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之間的穩態增益受其它回路的影響程度.相對增益與耦合程度當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聯作用很小;當相對增益小于零或接近于零時，說明使用本通道調節器不能得到良好的控制效果。或者說，這個通道的變量選配不適當，應重新選擇。當相對增益在0.3到0.7之間或者大于1.5時，則表明系統中存在著非常嚴重的耦合。需要考慮進行解耦設計或采用多變量控制系統設計方法。變量配對舉例(調和過程)為非線性系統！變量配對舉例（續）1.設定穩態工作點：Q0（u10,u20,y10,y20）2.穩態工作點Q0附近偏差化變量配對舉例（續）3.工作點Q0附近線性化變量配對舉例（續）4.對于穩態工作點Q0計算某一相對增益：變量配對舉例（續）5.利用相對增益的性質計算相對增益矩陣：變量配對舉例（續）6.進行合適的變量配對(假設C1>y20>C2)：變量配對舉例（續）7.分析結論(假設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，則只要用常規多回路就可以；否則，若兩種進料量接近，則需要采用非常規方法，例如解耦設計。調和過程工況舉例1F1=80T/hr，F2=20T/hr，F

=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）調和過程多回路控制模型#1多回路控制方案#1的閉環響應多回路控制方案#2（C-F1,F-F2）調和過程多回路控制模型#2多回路控制方案#2的閉環響應耦合過程的控制系統設計經合適輸入輸出變量配對后，若關聯不大，則可采用常規的多回路PID控制器；盡管系統穩態關聯嚴重，但主要控制通道動態特性差別較大，仍可通過調整PID參數，使各回路的工作頻率拉開；若系統穩態關聯嚴重，而且動態特性相近，則需要進行解耦設計。解耦控制系統的設計

前饋補償法解耦原理：使y1與uc2無關聯；使y2與uc1無關聯解耦控制系統的設計

前饋補償法（續）解耦控制系統的設計

對角矩陣法解耦控制系統的設計

對角矩陣法（續）解耦控制系統的設計

單位矩陣法解耦控制系統的簡化設計

（穩態解耦法）解耦控制系統的實現

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

2：約束問題問題：當兩回路均為“自動”時，若u2在運行過程中受到了約束，兩控制器有可能都驅使u1趨向約束。改進的解耦控制方案調和過程的解耦控制舉例調和過程解耦控制系統仿真被控過程：穩態工作點：Q0（u10,u20,y10,y20）調和過程解耦控制仿真（續）模型：相對增益矩陣：問題：如何進行變量配對與解耦控制系統設計？調和過程多回路控制仿真模型#3調和過程多回路控制響應調和過程動態線性解耦方案動態線性解耦閉環響應調和過程線性靜態解耦方案線性靜態解耦系統閉環響應調和過程的部分靜態解耦方案部分靜態解耦系統閉環響應非線性靜態解耦的一般結構+調和過程的非線性靜態解耦++調和過程非線性靜態解耦（續）+調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解耦系統閉環響應MIMO耦合系統解耦控制小結應通過關聯分析并選擇合適的輸入輸出配對:1.若關聯不大或主要控制通道動態特性差別較大，則可采用常規的多回路PID控制器；2.若系統穩態關聯嚴重，而且動態特性相近，則需要進行解耦設計。常用的解耦方法： 前饋解耦、靜態解耦、部分解耦、線性或非線性解耦等。練習題巳知過程的開環穩態增益矩陣試推導其相對增益矩陣，并選擇最好的控制回路。分析此過程是否需要解耦。流體輸送設備控制自學思考題對于離心式流體輸送設備（泵、壓縮機），如何實現流量控制？對于容積式泵設備，如何實現流量控制？對于離心式壓縮機，說明喘振現象與產生原因；掌握常用的防喘振方法與相應的控制系統；傳熱設備控制要求1、掌握換熱器出口溫度的控制方案與對象靜態特性；2、了解加熱爐的常用控制方案；3、掌握汽包水位的對象特點與控制方案；4、掌握鍋爐設備燃料與空氣邏輯變比值控制系統的分析與設計方法；5、了解鍋爐設備過熱蒸汽溫度的控制問題與常用的控制方法。預測控制原理

(ModelPredictiveControl)2001/10/21內容預測控制的由來預測控制原理動態矩陣控制算法仿真舉例預測控制的由來工業過程的特點 多變量、非線性、強耦合、不確定性、約束現代控制理論與方法 精確的數學模型、最優的性能指標、系統而精確的設計方法工業過程對控制的要求 高質量的控制性能、對模型要求不高、實現方便、強魯棒性一類用計算機實現的最優控制算法建模方便，不需要深入了解過程內部機理非最小化描述的離散卷積模型，有利于提高系統的魯棒性滾動優化策略，較好的動態控制效果簡單實用的模型校正方法，較強的魯棒性可推廣應用于帶約束、大純滯后、非最小相位、多輸入多輸出、非線性等過程預測控制的特點預測控制系統結構動態預測模型

預測模型的功能： 根據被控對象的歷史測量信息{u(k-j),y(k-j)|j≥1

}和未來輸入{u(k+j-1)|j=1,…,m}，預測對象未來輸出{y(k+j)|j=1,…,p}預測模型形式：

參數模型：微分方程、差分方程等；

非參數模型：脈沖響應、階躍響應等。模型輸出預測滾動優化（在線優化）優化目的

通過使某一性能指標J

極小化，以確定未來的控制作用u(k+j|k)。指標J

希望模型預測輸出盡可能趨近于參考軌跡。優化過程 滾動優化在線反復進行。優化目標只關心預測時域內系統的動態性能，而且只將u(k|k)施加于被控過程.滾動優化（續）反饋校正

每到一個新的采樣時刻，都要通過實際測到的輸出信息對基于模型的預測輸出進行修正，然后再進行新的優化。不斷根據系統的實際輸出對預測輸出值作出修正使滾動優化不但基于模型，而且利用了反饋信息，構成閉環優化。模型輸出反饋校正（續）常用預測控制算法動態矩陣控制(Cutleretal,1980)

（DynamicMatrixControl,DMC）模型算法控制(Richalet

etal,1978)

（ModelAlgorithmControl,MAC）廣義預測控制(Clarke

etal,1987)

（GeneralizedPredictiveControl,GPC）預測模型

脈沖響應模型（要求系統為開環穩定對象）

階躍響應模型（要求系統為開環穩定對象）

DMC模型輸出預測

系統輸出預測值：

分解后得到：DMC輸出校正

輸出預測校正（控制作用未變化時）：

輸出預測誤差：

校正后的輸出預測值：(*)DMC優化目標假設優化目標：使以下函數極小化令DMC優化目標（續）則目標函數為而A為動態矩陣DMC優化目標（續）DMC最優解：最終的控制算式為DMC仿真舉例

情形1：預測模型與控制對象特性一致情形2：存在模型失配(具體仿真結果見SimuLink相應程序)第六講

MIMO系統的約束預測控制2001/06/21“先進控制技術”講座內容多變量約束控制問題APC軟件產品介紹預測控制器MDMC_LP

預測模型、設定值操作優化、動態最優控制工業應用

——原油常壓塔溫度分布控制工業過程對APC的控制要求改善控制系統性能，包括跟蹤特性、抗干擾特性；適應多變量、強關聯、大時滯、不確定時滯等復雜特性；滿足對控制變量、被控變量和中間變量的約束；降低操作成本，追求產量最高、能耗最小等效益指標。商品化預測控制軟件MIMO系統的受約束控制問題

控制變量（MVs）約束：

輸出變量（CVs,AVs）約束：MDMC_LP控制器結構MDMC_LP中的預測模型

動態預測模型：

穩態預測模型：設定值操作優化問題

操作優化目標：

約束條件：其中us(k)、ys(k)分別為u(k)、y(k)的穩態預測值。設定值操作優化問題求解

線性規劃問題：其中動態最優控制問題

目標函數：

控制目標：（1）盡可能地減少被控變量與其設定值之間的偏差；（2）盡可能地減少控制變量的振蕩；（3）希望控制變量與其穩態工作點之間的偏差盡可能小以滿足對輔助變量的約束，并實現操作成本的最小化。原油常減壓蒸餾過程原油常壓塔側線溫度控制問題

控制目的：減少各側線產品質量的波動，克服原油處理量與性質變化對常壓塔操作的影響。常壓塔側線溫度與抽出量的關系

其中，各穩態增益的單位為℃/（T/Hr），一階時間常數與純滯后時間的單位均為分.常壓塔APC投用效果投用后常一線抽出塔盤溫度常壓塔APC投用效果（續1）投用后常二線抽出塔盤溫度常壓塔APC投用效果（續2）投用后常三線抽出塔盤溫度常壓塔APC抗干擾性能處理量的變化常一線溫度變化常二線溫度變化常三線溫度變化常壓塔APC系統評價先進控制系統的投用顯著地減少了側線溫度的波動；對原油處理量的改變與原油性質的變化，常壓塔的操作自適應能力提高；先進控制系統投用后，各側線產品的重疊度減少，合格率顯著提高；系統性能與預測模型的精度相關。當操作方案發生大的改變或原油處理量變化過大時，需要重新進行模型測試。對象非線性增益的補償2004/03/25對象增益非線性補償方法調節閥特性補償，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，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以使系統的回路增益為線性；自適應控制器：根據控制系統的性能自動調整控制器的增益，以使系統的回路增益為近似線性。增益非線性補償方法舉例1對象穩態關系：對象增益：補償方法：通過合理選擇調節閥的流量特性，實現廣義對象增益的近似線性。非線性補償方法舉例2補償方法：通過引入串級控制方式，以克服副回路中的非線性，實現主對象增益在一定條件下的的近似線性（本例中，指Fsp

與出口溫度的穩態增益）。非線性補償方法舉例3補償方法：通過引入中間變量（本例中為蒸汽量與工藝物料量的比值），實現主對象增益的近似線性（本例中，指u(t)與T2(t)的穩態增益）。pH中和過程中和反應:中和反應平衡式:pH的定義式:pH中和過程的穩態模型假設先混合后反應,混合后的酸與堿濃度x1,x2分別為中和反應的結果使混合液中的剩余酸濃度為pH中和過程的非線性中和過程的動態模型參見p.239圖14.3-3pH中和過程的單回路控制中和過程的變比值串級PID控制pH中和過程的非線性控制討論：由于pH中和過程非線性的特殊性，采用直接引入“非線性增益補償”環節的方法可自由地實現控制系統開環增益的線性化。中和過程非線性增益補償原理流體輸送設備的控制2001/11/28流體輸送設備控制

自學思考題對于離心式流體輸送設備（泵、壓縮機），如何實現流量控制？對于容積式泵設備，如何實現流量控制？對于離心式壓縮機，說明喘振現象與產生原因；掌握常用的防喘振方法與相應的控制系統；流量控制系統的特點控制通道的對象時間常數小 只需采用PI調節器，無須引入微分作用；測量信號通常帶有高頻噪聲 應考慮對測量信號的濾波或在控制器與變送器之間引入一階滯后環節，以減小調節閥的振動；靜態非線性 應考慮選用合適的控制閥特性，使廣義對象的靜態特性接近線性。離心泵的特性H為泵的壓頭，即泵前后的流體靜壓差；n

為離心泵轉速；Q為泵的排出量。HL為泵的最大輸出功率線，即在給定的轉速下，H*Q在該壓頭下達到最大。采用直接節流法的流量控制系統調節原理：通過改變相關管路的阻力系數，以控制管道流量。注意：控制閥不應裝在泵的吸入口；另外，控制閥的開度不應過小或過大，即應合理選擇控制閥的尺寸。還有，檢測元件宜裝在控制閥的上游。采用變頻調速法的流量控制調節原理：采用變頻調速器通過改變泵的轉速，以控制管道流量。特點：節能，調節平穩，但投資較大。采用旁路法的流量控制特點：機械效率低，但適合于某些不能采用直接節流法的容積式泵。容積式泵的流量控制特點：容積式泵不能采用直接節流法。可采用旁路法或調速法或上述控制方案。離心式壓縮機的特性曲線P2/P1為壓縮機出口壓力與進口壓力（均為絕壓）之比，或稱壓縮比；n

為壓縮機的轉速；Q

為壓縮機出口流量。其氣量或出口壓力的控制系統與離心泵相近，可用直接節流法、旁路回流法與變頻調速等。流體輸送設備的喘振現象(1)泵剛啟動時，液位為1-1，對應管路特性為I，工作點為QM，QA>QM.(2)工作點的變化過程：QM→QN→QO→QP→QN→QO→...產生喘振的條件流體輸送設備的特性曲線為駝峰型 即管路特性與輸送設備的特性曲線存在兩個交點；管線中存在能貯存和釋放能量的容器。

防喘振操作線方程Q1為壓縮機吸入口氣體的體積流量,即壓力為P1

，溫度為T1條件下的氣體體積流量。K，a由壓縮機生產廠給出。采用差壓計測流量時的

安全操作線固定極限防喘振控制系統當壓縮機正常運行時，控制器的測量值恒大于設定值，要求旁路閥全關；而當壓縮機吸氣量小于設定值時，要求旁路閥打開，使壓縮機總的吸入量等于或大于設定值.問題：調節閥選型，控制器作用方向選擇，與防積分飽和方法？可變極限防喘振控制系統問題：若流量測量在出口處，如何推導得到防喘振安全操作線？防喘振控制系統實例分析該系統包括兩個控制回路：（1）采用調速方法控制氣壓機的入口壓力；（2）采用可變極限流量法的氣壓機變防喘振控制系統。練習題1對于下圖所示的離心泵系統，其管路網絡有兩個分支。請設計一個控制系統以穩定每個支路的流量，并考慮如何消除或減弱兩分支之間的耦合問題。練習題2在可變極限流量防喘振控制中，如果壓縮機入口管線上不允許測量流量，只能在出口處測量，并假設用孔板進行測量，試推導得到該情況下與相對應的防喘振曲線表達式。換熱設備控制自學思考題1、針對逆流單程列管式換熱器，當兩側液體均無相變時，試推導得到工藝介質出口溫度與輸入條件之間的靜態關系；2、了解夾套式（集中參數系統）與套管式換熱器（分布參數系統）的動態模型建立方法；3、掌握換熱器的控制問題與常用的控制方案；4、掌握加熱爐出口溫度的控制問題與串級控制方案；傳熱設備的控制2001/11/28換熱設備控制思考題1、針對逆流單程列管式換熱器，當兩側液體均無相變時，試推導得到工藝介質出口溫度與輸入條件之間的靜態關系；2、了解夾套式（集中參數系統）與套管式換熱器（分布參數系統）的動態模型建立方法；3、掌握換熱器的控制問題與常用的控制方案；4、掌握加熱爐出口溫度的控制問題與串級方案。內容

引言換熱器的靜態特性換熱器的動態特性換熱器的控制加熱爐的控制鍋爐設備的控制換熱器的靜態特性問題：針對逆流單程列管式熱交換器，巳知入口條件（G1,T1i,G2,T2i）,要求計算穩定條件下工藝介質與載熱體的出口溫度（T1o,T2o）。其中c1,c2分別為相應介質的比熱。熱交換過程的熱量平衡方程假設工藝介質與載熱體均無相變，而且沒有熱損失。即 被加熱物料得到的熱量/單位時間

=載熱體放出的熱量/單位時間熱交換過程的傳熱速率方程K為傳熱系數；Fm

為傳熱面積；ΔTm為傳熱壁兩側流體的平均溫差.對于逆流單程換熱器，可取對數平均值若在1/3~3之間，則可用算術平均近似熱交換過程的靜態方程熱交換過程的靜態特性分析嚴重非線性，若其它環節為線性，調節閥需選用等百分數閥。換熱器的控制問題被控變量

(1)被加熱/冷卻介質的出口溫度（無相變）；

(2)加熱/冷卻所需的熱量（有相變），如精餾塔底再沸器的蒸發量。控制變量

(1)調載熱體的流量；(2)調節傳熱平均溫差；

(3)調傳熱面積； (4)將工藝介質分路，一路經換熱，另一路走旁路。換熱器的控制方案換熱器的控制方案(續)問題：若上述單回路控制方案仍未能滿足工藝要求，如何改進控制方案，以進一步提高控制質量？加熱爐的控制問題被控變量：工藝介質的出口溫度。控制變量：燃料油或燃料氣的流量。主要干擾： 工藝介質的進料溫度、流量、組分；燃料油/燃料氣的壓力、流量、成分（或熱值）；燃料油的霧化情況；空氣充分情況；火嘴的阻力，爐膛壓力等。加熱爐的單回路控制加熱爐的串級控制（一）加熱爐的串級控制（二）催化裂化加熱爐的控制系統加熱爐的安全聯鎖保護系統LS：低選器；BS：火焰檢測器；GL1：燃料氣流量過低聯鎖裝置；GL2：進料流量過低聯鎖裝置。鍋爐設備的工藝流程鍋爐設備控制思考題1、了解鍋爐設備的控制問題與系統分解；2、掌握汽包水位的對象特點與控制方案；3、掌握鍋爐設備燃料與空氣邏輯變比值控制系統的分析與設計方法；4、了解鍋爐設備過熱蒸汽溫度的控制問題與常用的控制方法。鍋爐設備的控制問題

系統分解：（1）鍋爐汽包水位的控制； （2）鍋爐燃燒系統的控制； （3）過熱蒸汽系統的控制。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（存在位于復平面右半平面的零點）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償原理：假設調節閥為氣關閥，C1=1，則調節器為正作用，而C2應取負號，具體數值可現場調整或根據閥門特性計算其初始值。汽包水位的三沖量控