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1、过程控制工程绪论“Process Control Engineering”教学要求n了解控制系统的设计目的，掌握控制系统方块图描述法n掌握过程对象的建模方法n掌握PID类常规控制策略，能够结合具体的工业过程设计合理的控制方案n掌握控制系统的分析方法n了解先进控制算法，掌握其设计思想、概念、特点及适用场合课程考核与参考资料n考核考核：平时成绩 50%，包括出勤、平时练习、综合练习等；期末考试（闭卷）50%n主要参考资料：主要参考资料：1、王树青等编著，工业过程控制工程.北京：化学工业出版社，2002.122、金以慧主编，过程控制.北京：清华大学出版社，1993.04n答疑：答疑：周一下午周一下午
2、2:30-5:00;地点：工控所老地点：工控所老楼楼403（助教：覃旭松）（助教：覃旭松）本章要求n了解控制系统的设计目的n结合具体对象，掌握单回路控制系统的方块图描述法，并掌握方块图中线与方框图的物理意义n掌握过程控制中的常用术语（中英文）n了解控制系统的主要分类与设计过程n能够结合具体对象，了解控制系统的组成控制系统的由来传感测量器：液位计+人眼控制器：大脑执行机构：手+手动阀差压传感变送器电动调节器自动调节阀液位控制系统的组成与方块图问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？热交换器的温度控制系统热交换器温度控制系统方块图一般的单回路控制系统被控
3、变量被控变量：温度、压力、流量、液位或料位、成分与物性等六大参数；过程控制系统的重要术语n被控变量/受控变量/过程变量（Controlled Variable-CV,Process Variable-PV）n设定值/给定值(Setpoint-SP,Setpoint Value-SV)n操纵变量/操作变量(Manipulated Variable,MV)n扰动/扰动变量(Disturbance Variable,DV)n对控制器而言，测量/测量信号(Measurement)，控制/控制信号/控制变量（Control Variable）控制系统的目标n过程控制系统的目标过程控制系统的目标：在扰动存
4、在的情况下，通过调节操纵变量使被控变量保持在其设定值。n应用过程控制系统的主要原因：应用过程控制系统的主要原因：（1）安全性：安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保护或减少生产过程对环境的影响；（2）稳定性稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各种外部干扰；（3）经济性经济性：实现效益最大化或成本最小化。控制系统的分类n定值控制（Regulatory Control,“调节控制”）与伺服控制（Servo Control,“跟踪控制”）对照举例：连续过程与间歇过程（Batch Processes）或飞行控制。n前馈控制（Feedforward Control）与反馈控制（Feedbac
5、k Control）对照举例：热交换器的出口温度控制。前馈与反馈控制系统举例控制系统的分类（续）n开关量控制（Switch Control）与连续量控制（Continuous Control）举例：空调器的控制n连续时间控制（Continuous-Time Control）与离散时间控制（Discrete-Time Control,也称“采样控制”/“数字控制”）举例：计算机控制系统n多变量控制与单变量多回路控制n线性控制与非线性控制等控制系统的设计与实施n确定控制目标：确定控制目标：依据生产过程安全性、经济性与稳定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标；n选择被控变量：选择被控变量：选择与控
6、制目标直接或间接相关的可测量参数作为控制系统的被控变量；n选择操作变量：选择操作变量：从所有可操作变量中选择合适的操作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快；n确定控制方案：确定控制方案：当被控变量与操作变量多于1个时，既可以直接用MIMO（多输入多输出）控制方案；也可以将系统分解成几个SISO（单输入单输出）子系统再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。控制系统的设计与实施（续）n调节阀的选择调节阀的选择：根据被控变量与操作变量的工艺条件及对象特性，选择合适大小与流量特性的调节阀；n控制算法的选择控制算法的选择：依据控制方案选择合适的控制算法。通常对于SISO系统，PID控制算法能满足大
7、部分情况；而对于MIMO系统，可采用的控制算法很多，但一般都需要对象模型，仅适用于计算机控制系统。n控制系统的调试和投用控制系统的调试和投用：控制系统安装完毕后，按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况(包括控制器参数的在线整定)，依次将其投入运行。举例：精馏塔控制系统控制目标CV、MV选择控制系统调试与投用控制方案控制算法常用控制算法nPID类类（包括：单回路PID、串级、前馈、均匀、比值、分程、选择或超驰控制等），特点：特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对象的动态模型、结构简单、在线调整方便。nAPC类类（先进控制方法，包括：解耦控制、内模控制、预测控制、自适应控制等），特点
8、：特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。过程控制与其它相关学科习题n p.18,习题 2-4PID 反馈控制器(PID Feedback Controllers)2004/02/25上一讲内容回顾n了解典型工业过程的动态特性类型；n掌握简单被控过程的机理建模方法；n掌握调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则；n掌握“广义对象”概念及其动态特性的典型测试方法。习题2-4讨论对于如图所示的加热炉温度控制系统，试(1)指出该系统中的被控变量、操纵变量、扰动变量与控制目标;(2)画出该系统的方块图；(3)选择控制阀的“气开-气关”形式;(4)指出该
9、控制系统的“广义对象”及物理意义。温度控制系统方块图1特点特点：各环节均用实际仪表、设备或装置来表示，被控对象用受控设备来表示，不反映操纵变量、干扰对被控变量的影响关系。温度控制系统方块图2特点特点：采用传递函数与环节名称混合表示，对象用被控过程的动态特性来表示。温度控制系统方块图3特点特点：对象用被控过程的动态特性来表示，其中除控制通道外，所有干扰对被控变量的影响只用一个输出扰动来近似。当然，各环节可以只用传递函数来表示。广义对象的阶跃响应测试“广义对象”的输入：u，输出为Tm。若机理建模有难度，就可采用常用的响应测试法.对象特性的阶跃响应测试假设温度测量变送器的量程为200 400,对象特
10、性可用以下一阶+纯滞后来表示,试确定其Kp,Tp,。对象特性参数的确定假设温度测量变送器的量程为200 400。本讲基本要求n掌握仿真系统SimuLink的使用方法;n掌握单回路控制器“正反作用”的选择原则；n掌握单回路控制系统的常用性能指标；n掌握PID控制律的意义及与控制性能的关系。仿真系统SimuLink的使用入门假设控制输入u(t)与干扰输入d(t)均为阶跃信号，要求显示输入对被控变量y(t)及其测量z(t)的动态响应。仿真系统SimuLink的使用技巧n熟悉与掌握系统所提供的SimuLink常用模块，如输入信号、输出显示、传递函数模块、常用数学函数等；n掌握SimuLink运行数据与
11、Matlab数据平台的联结，以及Matlab常用的作图方法；n掌握子系统的封装技术（包括外观设计、参数设置、注释等）；n掌握自定义模块的运行机制、设计方法与封装技术。控制器的“正反作用”选择问题问题：如何构成一个负反馈控制系统？控制器的控制器的“正反作用正反作用”选择选择n 定义：定义：当被控变量的测量值测量值增大时，控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。n 选择要点：选择要点：使控制回路成为“负反馈”系统。选择方法为：（1）假设检验法假设检验法，先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统；（2）回
12、路判别法回路判别法，先画出控制系统的方块图，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。控制器的作用方向选择：控制器的作用方向选择：假设检验法假设检验法根据控制阀的“气开气关”的选择原则，该阀应选“气开阀”，即：u Rf.(Why?)假设温度控制器为正作用，即：Tm u；则结论结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.控制器的作用方向选择：控制器的作用方向选择：回路判别法回路判别法回路判别法的要点：（1）反馈回路中负增益环节（包括比较器）数为奇数；（2）对控制器而言，“正作用”是指Tm u。控制系统的性能评价仿真程序见./Simulation/PIDControl/
13、PControlLoop.mdl讨论：如何评价或比较不同控制系统的性能？控制系统常用的性能指标n 稳态余差：n 衰减比：n 振荡周期T，n 调节时间 ts.n 上升时间 tr,峰值时间 tp.纯比例控制器n控制器增益 Kc或比例度对系统性能的影响：增益 Kc 的增大（或比例度下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降（当系统稳定时，调节频率提高、最大偏差下降）；仿真结果参见./Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl比例增益对控制性能的影响比例积分控制器n积分时间Ti 对系统性能的影响引入积分作用的根本目的是为了消除稳态余差，但使控制系统的稳定性下降。当积分
14、作用过强时（即Ti 过小），可能使控制系统不稳定。仿真结果参见./Simulation/PIDControl/PILoop.mdl积分作用对控制性能的影响理想的比例积分微分控制器n微分时间Td 对系统性能的影响微分作用的增强（即Td 增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但高频噪声起放大作用。对于测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作用主要适合于特性一阶滞后较大的广义对象，如温度、成份等。微分作用对控制性能的影响问题：控制作用的变化过大，对噪声敏感，如何克服？实际的比例积分微分控制器其中Ad 为微分增益SimuLink 结构:PID控制系统仿真举例仿真结果参
15、见./Simulation/PIDControl/PIDLoop.mdl结论n讨论仿真系统SimuLink的使用方法;n介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则；n描述了单回路系统的常用性能指标；n通过仿真讨论了PID控制律的意义及与控制性能的关系。思考题n对于一般的自衡过程，分析采用纯比例控制器存在稳态余差的原因；n引入积分作用可消除稳态余差的原因分析，以及为什么引入积分作用会降低闭环控制系统的稳定性？n引入微分作用可提高控制系统的稳定性，但为什么实际工业过程中应用并不多？n如何确定PID参数？过程动态特性建模与分析过程动态特性建模与分析（Process Characteristics）20
16、04/02/15上一讲内容回顾n控制系统的设计目的n单回路控制系统的组成、方块图描述法及方块图中线与方框图的物理意义n过程控制中的常用术语（中英文）n控制系统的主要分类与设计过程复习题对于如图所示的压力控制系统，假设贮罐温度不变，主要干扰为P1、P2。试指出该系统中的被控变量、操纵变量、扰动变量与被控对象，并画出该系统的方块图。本讲基本要求n了解典型工业过程的动态特性类型；n掌握简单被控过程的机理建模方法；n掌握调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则；n掌握“广义对象”概念及其动态特性的典型测试方法。单回路控制系统组成被控对象动态建模方法n机理建模原理原理：根据过程的工艺机理，写出各种有
17、关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。特点特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。n测试建模原理原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。特点特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。对象机理建模举例#1（p.28）n 物料平衡方程物料平衡方程：n 流体运动方程流体运动方程：讨论问题讨论问题：（1）线性化的意义？如何线性化？（2）如何用Matlab 或 SimuLink
18、 表示该过程？（参见SimulationProcessModel LevelProcess01.mdl）对象机理建模举例#2n 物料平衡方程物料平衡方程：n 流体运动方程流体运动方程：仿真参见 ProcessModel LevelProcess02.mdl问题问题：状态方程？线性化？机理建模举例#3：非自衡过程非自衡过程物料平衡方程：气动调节阀的结构气动调节阀的结构u(t)：控制器输出 (420 mA 或 010 mA DC)；pc：调节阀气动控制信号；l：阀杆相对位置；f：相对流通面积；q：受调节阀影响的管路相对流量。阀门的阀门的“气开气开”与与“气气关关”1.气开阀与气关阀气开阀与气关阀
19、*气开阀：pc f (“有气则开”)*气关阀：pc f (“有气则关”)无气源(pc=0)时，气开阀全关，气关阀全开。2.气开阀与气关阀的选择原则气开阀与气关阀的选择原则 *若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。调节阀的结构特性调节阀的结构特性调节阀结构特性调节阀结构特性：阀芯与阀座间的节流面积和阀门开度之间的函数关系。f 为相对节流面积；l 为相对开度：n 线性阀线性阀（线1）：n 等百分比阀或称对数阀等百分比阀或称对数阀（线2）：调节阀的工作流量特性分析调节阀的工作流量特性分析阀阻比阀阻比 S100：调节阀全
20、开时的两端压降与系统总压降之比，即调节阀工作流量特性（续）调节阀工作流量特性（续）线性阀的特性变异对数阀的特性变异调节阀流量特性总结调节阀流量特性总结n 线性阀：线性阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当开度到达50 70%时，流量已接近其全开时的数值，即Kv随着开度的增大而显著下降。n 对数阀：对数阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的减少，Kv 渐近于常数。调节阀流量特性的选择原则调节阀流量特性的选择原则n 选择原则：选择原则：仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于 0.60 以上（即调节阀两端的压差
21、基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。热平衡方程：Kp：控制通道增益“广义对象”的概念“广义对象”的特点特点：（1）使控制系统的设计与分析简化；（2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性；（3）只关心某些特定的输入输出变量。“广义对象”动态特性的阶跃响应测试法*典型自衡工业对象的阶跃响应n 对象的近似模型：对应参数见左图，而增益为：ymin,ymax为CV的测量范围；umin,umax为MV的变化范围，对于阀位开度通常用0100%表示。“广义对象”动态特性的矩形脉冲响应测试法SISO 对象模型构造与动态响应仿真参见 ProcessModelOpen
22、LoopResp.mdl过程控制广义对象动态特性分类n自衡过程（Self-Regulating Processes）(1)无振荡的自衡过程(2)有振荡的自衡过程n非自衡过程（Non-Self-Regulating Processes）(1)无振荡的非自衡过程(2)有振荡的非自衡过程(3)具有反向特性的非自衡过程无振荡自衡过程模型无振荡非自衡过程模型具有反向特性的非自衡过程模型工业过程控制对象的特点工业过程控制对象的特点n除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象；n对象动态特性存在不同程度的纯迟延；n对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流量对象外的被调量的变化相对缓慢；n被控对象往往具有非线性
23、、不确定性与时变等特性。结 论n介绍了简单被控过程的机理建模方法与线性化问题；n讨论了调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则；n讲述了“广义对象”的概念及其动态特性的典型测试方法；n列举了工业过程的典型动态特性类型与通道模型。习题1.p.37,习题3-42.p.38,习题3-8（若可能，请用Matlab 作图）3.p.58,习题4-9 PID控制器的参数整定与应用问题2004/03/08上一讲内容回顾n讨论仿真系统SimuLink的使用方法;n介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则；n描述了单回路系统的常用性能指标；n通过仿真讨论了PID控制律的意义及与控制性能的关系。控制器的控制器的
24、“正反作用正反作用”选择选择问题:(1)如何选择控制阀的 “气开气关”？(2)如何选择温度控制器的正反作用，以使闭环系统为负反馈系统？PID控制器的物理意义讨论n对于一般的自衡过程，当设定值或扰动发生阶路变化时，为什么采用纯比例控制器会存在稳态余差？n引入积分作用的目的是什么，为什么引入积分作用会降低闭环控制系统的稳定性？n引入微分作用的目的是什么，为什么实际工业过程中应用并不多？本讲基本要求n了解PID控制规律的选取原则,n掌握单回路PID控制器的参数整定方法,n了解PID控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术,n了解PID参数的自整定方法。n控制器增益 Kc或比例度增益 Kc 的增大（
25、或比例度下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降；n积分时间Ti积分作用的增强（即Ti 下降），使系统消除余差的能力加强，但控制系统的稳定性下降；n微分时间Td微分作用增强（即Td 增大），可使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用，主要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。PID参数对控制性能的影响工业PID控制器的选择*1：当工业对象具有较大的滞后时，可引入微分作用；但如果测量噪声较大，则应先对测量信号进行一阶或平均滤波。讨论：讨论：选择原则分析。PID工程整定法1-经验法针对被控变量类型的不同，选择不同的PID参数初始值，投运后再作调整。尽管简单，但即使对于同
26、一类型的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经验法属最为“粗糙”的整定法。（具体整定参数原则见 p.65 表5.3-1）工程整定法2-临界比例度法步骤：步骤：（1）先将切除PID控制器中的积分与微分作用，取比例增益KC较小值，并投入闭环运行；（2）将KC由小到大变化，对应于某一KC值作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡；（3）设等幅振荡时振荡周期为Tcr、控制器增益Kcr，再根据控制器类型选择以下PID参数。控制规律KcTiTdP0.5KcrPI0.45Kcr0.83TcrPID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr单回路PID参数整定仿真举例SimuLink仿真
27、程序参见.PIDControlPIDLoop.mdl）工程整定法3-响应曲线法*n临界比例度法的局限性：临界比例度法的局限性：生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡。n响应曲线法响应曲线法PID参数整定步骤：参数整定步骤：（1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃 变化），记录被控变量的响应曲线；（2）由开环响应曲线获得单位阶跃响应曲线，并求取 “广义对象”的近似模型与模型参数；（3）根据控制器类型与对象模型，选择PID参数并投 入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整。“广义对象”动态特性的阶跃响应测试法*典型自衡工业对象的阶跃响应 对象的近似模型：对应参
28、数见左图，而增益为：ymin,ymax为CV的测量范围；umin,umax为MV的变化范围，对于阀位开度通常用0100%表示。Ziegler-Nichols参数整定法*n特点：特点：适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应曲线可用“一阶+纯滞后”来近似。n整定公式：整定公式：响应曲线法举例SimuLink仿真程序参见.PIDControl PIDLoop.mdl）假设测量范围为200 400,K=1.75,T=10 min,=7 min.Kc=0.8,Ti=14 min,Td=3.5 min.响应曲线法举例（续）对于无显著纯滞后的自衡对象PID参数整定法（1/4准则）*n特点：特
29、点：适合于纯滞后不显著的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应为“S”型曲线。n初始整定参数：初始整定参数：Ts 为对象开环阶跃响应的过渡过程时间。n参数调整：参数调整：将上述PID控制器投入“Auto”（自动）方式，并适当改变控制回路的设定值，观察控制系统跟踪性能。若响应过慢且无超调，则适当加大KC，例如增大到原来的两倍；反之，则减小KC值。响应曲线1/4准则法举例SimuLink 仿真程序参见.PIDControl PIDLoop.mdl单回路系统的“积分饱和”问题问题问题：当存在大的外部扰动时，很有可能出现控制阀调节能力不够的情况，即使控制阀全开或全关，仍不能消除被控输出y(t)与设定值ysp
30、(t)之间的误差。此时，由于积分作用的存在，使调节器输出u(t)无限制地增大或减少，直至达到极限值。而当扰动恢复正常时，由于u(t)在可调范围以外，不能马上起调节作用；等待一定时间后，系统才能恢复正常。单回路系统积分饱和现象举例单回路PID控制系统（无抗积分饱和措施）(参见模型/PIDControl/PidLoopwithLimit.mdl)单回路系统积分饱和仿真结果单回路系统的防积分饱和原理讨论讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限时，自动切除积分作用。单回路系统的抗积分饱和举例(仿真模型参见/PIDControl/PidLoopwithAntiInteSatur.mdl)手自动无
31、扰动切换问题与实现实现方式实现方式：在Auto（自动）状态，使手操器输出等于调节器的输出；而在Man（手动）时，使调节器输出等于手操器的输出；继电器型PID自整定器原理具有继电器型非线性控制系统问题：如何分析上述非线性系统产生等幅振荡的条件？继电器输入输出信号分析周期信号的Fourier级数展开一个以T为周期的函数f(t)可以展开为对齐次函数,有假设继电器的幅值为d，则继电器输出的一次谐波为继电器型控制系统等幅振荡条件 对于没有滞环的继电器非线性环节，假设该环节输入的一次谐波振幅为a，则对继电器输入输出的一次谐波，其增益为闭环继电系统临界稳定条件：对于继电器控制器而言，其临界增益为：临界振荡周
32、期为 Tcr。再由临界比例度法自动确定PID参数.继电器型PID自整定举例具体参见/PIDControl/PidLoopAutoTuning.mdl结 论n讨论了PID控制规律的选取原则,n详细分析了单回路PID参数整定方法,n介绍了PID控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术,n分析了继电器型PID参数自整定原理。练习题 对于题图5-1（p.68）所示的加热炉出口温度控制系统，假设变送器量程为200 300。试回答以下问题并说明理由：（1）燃料控制阀选用“气开”阀还是“气关阀”？（2）温度控制器该选“正作用”还是“反作用”？（3）若在手动控制状态，燃料控制阀风压（或者说温度控制器输出电流
33、）减少3%，炉出口温度的变化过程如题5-8下表格所示。请确定“广义对象”的特性参数K、T、。（4）若温度控制器采用PID调节器，试确定PID参数，并给出SimuLink仿真曲线（假设设定值从270上升至280）。前馈控制系统前馈控制系统Feedforward Control2004/03/25内 容n前馈控制的原理n非线性静态前馈控制的设计方法n前馈控制系统的动态补偿n前馈反馈控制系统n仿真举例前馈控制的概念前馈控制的概念D1，Dn为可测扰动；u，y分别为被控对象的操作变量与受控变量。前馈思想前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。前馈控制方块图前
34、馈控制方块图u(t)、y(t)分别表示控制变量与被控变量；d(t)表示某一外部干扰;GYD(s)、GYC(s)分别为干扰通道与控制通道的动态特性；GFF(s)为前馈控制器的动态特性。控制目标：前馈不变性原理前馈不变性原理n动态不变性动态不变性：在扰动d(t)的作用下，被控量y(t)在整个过渡过程中始终保持不变，称系统对于扰动d(t)具有动态不变性，即Y(s)/D(s)=0,（调节过程的动态和稳态偏差均为零，”理想情况“）。n稳态不变性稳态不变性：在干扰d(t)作用下，被控量y(t)的动态偏差不等于零，而其稳态偏差为零，即Y(0)/D(0)=0，或者说y(t)在稳态工况下与扰动量d(t)无关。静
35、态前馈控制静态前馈控制n控制目标控制目标：保证过程输出在稳态下补偿外部扰动的影响，即实现“稳态不变性”。n静态前馈控制方式静态前馈控制方式：u线性静态前馈：u非线性静态前馈：结合对象静态模型获得前馈控制器结构与参数。非线性静态前馈控制非线性静态前馈控制稳态平衡关系：讨论:前馈控制器的实现与相关测量仪表的影响前馈控制算法前馈控制算法假设T1、T2的测量范围为T1min,T1max、T2min,T2max,RV、RF的测量范围为0,RVmax、0,RFmax；而各测量信号T1m、T2m、RVm、RFm及设定值均为0 100%.换热器动态仿真模型(参见模型/FFControl/ExHeater.md
36、l)静态工作点:T1=20,RF=10 T/hr,RV=2T/hr,Kv=800,T2=180.T2仪表量程为100300,RV仪表量程为05 T/hr.干扰通道纯滞后可忽略,控制通道纯滞后为2.5 min.换热器的静态前馈控制器换热器的静态前馈控制器假设静态工作点为:T1=20,RF=10 T/hr,RV=2T/hr,Kv=800,T2=180.T2的测量仪表量程为100 300,RV仪表量程为0 5 T/hr，T1量程为0 50,RF仪表量程为0 20 T/hr.则其静态前馈控制算法为换热器静态前馈控制仿真换热器静态前馈控制仿真讨论：分析稳态不变性原理以及系数Kvm对前馈控制性能的影响，(
37、参见模型/FFControl/ExHeaterStaticFFC.mdl)前馈控制的动态补偿前馈控制的动态补偿讨论讨论：当控制通道与扰动通道的动态特性差异较大时，需要引入动态补偿。对于线性系统，动态补偿算法为这里，gYD(s)、gYC(s)分别表示通道特性的动态部分，其稳态增益均为1。非线性系统的动态前馈补偿非线性系统的动态前馈补偿 对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静态与动态两部分：其中 对于非线性系统，上式中静态前馈部分可由对象的非线性静态模型计算得到，而动态部分同样可按线性对象处理。动态前馈补偿的一般形式为前馈控制与反馈控制的比较前馈控制与反馈控制的比较 前前 馈馈 控控 制制 反反
38、馈馈 控控 制制扰动可测，但不要求被控量可测被控量直接可测超前调节，可实现系统输出的不变性（但存在可实现问题）按偏差控制，存在偏差才能调节，（滞后调节）开环调节，无稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题系统仅能感受有限个可测扰动系统可感受所有影响输出的扰动对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知而且准确对通道模型要求弱，大多数情况无需对象模型对时变与非线性对象的适应性弱对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强换热器的前馈反馈控制方案1换热器的前馈反馈控制方案2特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。换热器反馈控制系统举例换热器反馈控制系统举例(参见模型/FFControl/ExHeaterP
39、ID.mdl)换热器前馈反馈控制系统换热器前馈反馈控制系统#1(参见模型/FFControl/ExHeaterFFC_PID1.mdl)换热器前馈反馈控制系统换热器前馈反馈控制系统#2(参见模型/FFControl/ExHeaterFFC_PID2.mdl)结 论n引入前馈控制的可能应用场合：（1）主要被控量不可测；（2）尽管被控量可测，但控制系统所受的干扰严重，常规反馈控制系统难以满足要求。n应用前馈控制的前提条件：（1）主要干扰可测；（2）干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近；（3）干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。练习题下图所示的换热器采用蒸汽加热工艺介质，要求介质出口温度达到
40、规定的控制指标。试分析下列情况下应选择哪一种控制方案，并画出带控制点的流程图与方块图。（1）工艺介质流量GF 与蒸汽阀前压力PV 均比较稳定；（2）介质流量GF 比较稳定，但压力PV 波动较大；（3）蒸汽压力PV 比较稳定，但介质流量GF 波动较大。比值控制比值控制Ratio Control2004/03/28比值控制内容n比值控制问题的由来；n常用的比值控制方案与系统结构；n流量比值与比值器参数的关系；n变比值控制系统的特点与应用场合；n仿真举例溶液配制问题溶液配制问题问题：问题：当NaoH用量QB变化时，调整稀释水量QA 以使稀释液NaoH的浓度为68%左右。解决方案解决方案：（1）出口浓
41、度控制；（2）入口流量的比值控制（流量比值？）。一般的比值控制问题一般的比值控制问题要求要求：QA/QB=KAB（比值系数）而QB 为主动流量，QA 为可控量，要求设计一控制系统通过调节QA 以实现上述比值控制目标。比值控制系统方案比值控制系统方案1稳态条件稳态条件:IA=K1 IB假设流量测量变送环节为线性对象（对于用孔板测量的信号须经开方运算）。比值控制方案比值控制方案2稳态条件稳态条件:K2 IA=IB比值控制系统方案比值控制系统方案3稳态条件稳态条件:K3=IA/IB存在问题存在问题：物料A的流量回路存在非线性，当物料B的流量减少时，回路增益增大，有可能使系统不稳定，并可能出现“除零”
42、运算。比值控制的逻辑提降量功能:(1)正常工况下实现锅炉蒸汽压力对燃料流量的串级控制，以及燃料与空气流量的比值控制(2)提负荷时先提空气，而降负荷时先降燃料量。分析要点：正常工况时，换热器出口温度换热器出口温度变比值串级控制系统变比值串级控制系统系统功能系统功能：（1）变比值串级？（2）变增益串级？（3）前馈反馈串级 控制？换热器变比值串级控制仿真(参见模型/FFControl/ExHeaterRatio_PID.mdl)结 论n讨论了流量比值控制问题；n介绍了常用的比值控制方案；n分析了流量比值与比值器参数的关系；n详细列举了燃烧控制中常用的逻辑提降量问题与解决方案；n简单介绍了变比值控制系
43、统的特点与应用场合。练习题右图表示了NaOH溶液的稀释过程，输入溶液浓度为20%，要求进一步用清水稀释成浓度为5%的溶液。流量F1、F2的测量仪表均为线性变送器，仪表量程分别为030T/hr和0120T/hr，并采用DDZ-型，K为比值计算单元。（1）求K值与流量比值的关系式；（2）根据所描述的工艺情况，确定K值；（3）若F1的变化范围为1020T/hr，试求取稳态条件下I2与I3的变化范围（用mA表示）液位均匀系统液位均匀系统2004/03/21上一讲内容回顾n介绍了串级控制系统的概念与特点；n结合控制原理，具体分析了串级系统的抗干扰性能；n讨论了串级控制系统的设计原则；n详细介绍了串级控制
44、系统的参数整定过程.问题讨论n串级控制的概念，说明与单回路控制的区别。n以左图的反应器为例，说明引入串级控制的意义。n为什么引入串级控制可显著减少内回路的干扰，并显著提高控制系统鲁棒性？n如何选择主副控制器的控制规律，如何整定PID参数？串级PID系统的积分饱和问题情况情况1：流量副回路出现“积分饱和”，可采用单回路抗积分饱和方法；情况情况2：当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时，可能出现限位参数不一致的情形，同样存在发生“积分饱和”的可能性。单回路系统的防积分饱和方法方法：正常情况为标准的PD+PI控制算法；而当出现超限时，通过限制积分作用达到切除积分作用的目的。单回路防积分饱和方法在串
45、级控制系统中的局限性串级PID控制系统（只采取单回路抗积分饱和措施）(参见模型/CascadePID/CascadePidwithLimit.mdl)串级系统积分饱和现象仿真串级系统产生积分饱和的原因分析？串级控制系统主调节器防积分饱和连接法串级控制系统的防积分饱和串级系统的防积分饱和方法举例串级PID控制系统（采取抗积分饱和措施）(参见模型/CascadePID/CasPidwithAntiSatur.mdl)串级系统防积分饱和措施举例工业PID控制器常用结构功能:控制输出跟踪,防积分饱和,输出限幅,正反作用选择,测量值滤波,设定值变化率限幅等.均匀控制内容n均匀控制的概念与特点；n常见的均
46、匀控制系统；n均匀控制系统的应用场合；n仿真举例；n结论均匀控制问题 当塔甲的进料量变化时，希望塔甲的液位h(t)与出料 qo(t)同时平稳，以确保后续设备进料波动的减少。这完全不同于单纯的液位控制系统（那里只关心液位的平稳，而不关注控制变量的变化情况），而要求液位与出料同时“均匀均匀”地变化。均匀控制系统的特点n不同于常规的定值控制系统，而对被控变量(CV)与控制变量(MV)都有平稳的要求；n为解决CV与MV都希望平稳这一对矛盾，只能要求CV与MV都渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，液位在贮罐的上下限内波动，而流量应在一定范围内平缓渐变。n均匀控制指的是控制功能控制功能，而不是控制方案。常
47、用的均匀控制方案单回路均匀控制系统串级均匀控制系统讨论：讨论：两种方案有何不同？均匀控制系统的分析假设流量回路调节迅速，对液位对象而言其动态滞后可忽略；并不考虑液位测量滞后。则广义对象特性可表示成A为塔底截面积均匀控制系统的分析(续)假设液位测量范围为Hmax，进出流量的测量范围均为Qmax，则广义对象特性可表示成其中h(t)、qi(t)、qo(t)分别为液位与进出流量的归一化值。均匀控制系统的分析(续)对于纯比例控制器Gc=Kc，可得到的闭环特性为：纯比例均匀控制系统的特点n可实现进出物料的自动平衡；n当物料的平均停留时间Th一定时，控制器增益Kc的减少可使出料更加平缓，但使液位的波动范围与
48、余差同时增大；n为减少液位的调节余差，主控制器需要引入少量的积分作用。均匀控制系统的PID参数整定n对于串级均匀控制系统的副调节器，应选择PI规律，按单回路工程整定法确定其PI参数。n对于主调节器，一般应选择纯比例规律，即积分时间足够大。通过调整增益Kc以使出料尽可能地平缓，而同时确保液位不超出允许范围。有时为减少液位的调节余差，可引入少量的积分作用。n当液位测量噪声较大时，为避免出料流量的同频率波动，可对液位测量信号进行低通滤波。均匀控制仿真举例假设流量回路调节迅速，对液位对象而言其动态滞后可忽略；并不考虑液位测量滞后。则广义对象特性可表示成A为塔底截面积均匀控制SimuLink仿真模型分析
49、均匀控制与液位控制的控制目标与控制参数的不同(参见模型/EqualControl/CascadePid.mdl)结 论n介绍了液位均匀控制的概念与特点；n讨论了常见的均匀控制系统；n列举了均匀控制系统的应用场合；n通过仿真举例分析了均匀控制与简单液位控制在控制目标与控制器参数选择方面的不同.选择性控制与分程控制2004/04/06主要内容n选择性控制问题的由来；n选择性控制的设计方法与应用场合；n分程控制的特点与适用场合；n分程区间的确定方法；n阀位控制的概念与设计方法。选择性控制系统2004/04/06选择性控制分类n超驰控制（Override Control），也称约束控制（Constra
50、int Control）特点：被控变量类型不同，通常有两个以上的控制器，主要用于设备软保护。n被控变量选择控制（Selective Control）特点：被控变量类型相同，通常只有一个控制器，与单回路控制相近，只是控制器输入由多个测量信号选择得到。放热反应器热点温度选择控制超驰控制概念 “超驰控制系统”的受控变量往往包括：n一个常规受控变量一个常规受控变量，需要进行定值控制；n一个区间约束变量一个区间约束变量，正常工况下无需控制，但一旦超出允许范围就需要及时加以调节，以防止事故的发生。“超驰控制系统”的操作变量往往只有一个，因此，控制系统需要随时针对实际情况，选择某一个受控变量加以控制。液氨蒸