过程控制工程(孙洪程版)第二篇_8-13章
第二章_串级控制系统
GV（s） Gm2（s）
G02（s）
G01（s）
Gm1（s）
系统方块图的比较，串级系统和单回路系统，可见串级系统的 特点: ①多了一个副回路； ②多了一个控制器。
2.4 串级控制系统的特点
（1）副回路的存在，改善了对象特性，提高了系统工作频率
GC1(s) GC2(s) GV(s) G01（s）
2.2 串级控制系统的实施
● 实施前要考虑的几个问题 （1）系统设备间的传输信号要匹配，电信号4~20mA, 1~5V， 气信号0.02~0.1Mpa，混合时需要转换装置（电-气转换） （2）副控制器必须具有外给定功能 （3）是否需要切换开关，即切换成： a 主控制器直接控制控制阀； b 副控制器不接受主控制器的外给定，实现其独立控制， 并且要考虑无扰动切换。 （4）实施方案力求简洁实用，便于操作。
过程控制系统及工程
第二章 串级控制系统 信息学院自动化系：孙洪程 Email:Sunhc@
第 章
串级控制系统
2.1 概述 2.2 串级控制系统 2.3 投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计 (改错:公式2—23a、2—24a中2β、1β为2c、1c) 实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质量研究
2.2.2 串级控制系统的实施 （3）串级与主控的切换条件
串级→主控：用主控制器代替原副控制器的输出，直接控制控制阀
主控→串级：用副控制器代替原主控制器的输出，直接控制控制阀 无论哪种切换，必须保证阀的控制方向正确——直接切换条件
2.2.2 串级控制系统的实施
副控制器为反作用（负）：
sp
FC
sp
2.2.1 串级控制系统控制方案
过程控制工程孙洪程答案
过程控制工程孙洪程答案【篇一：过程控制工程教学大纲】xt>过程控制工程（process control engineering）课程性质：专业主干课适用专业：机电一体化技术学时分配：课程总学时：60学时其中理论课学时：60学时；实验课学时：0学时；先行课程情况：先行课：高等数学、单片机原理与应用、自动控制原理、传感器技术等；教材：孙洪程，李大宇，翁维勤编著．《过程控制工程》．北京：高等教育出版社， 2013年12月重印参考书目：1、邵裕燊．过程控制工程．北京：机械工业出版社2、何衍庆，俞金寿，蒋慰孙．工业生产过程控制．北京：化学工业出版社一、课程的目的与任务过程控制工程是机电一体化技术专业开设的主干课之一，主要研究工业生产过程中应用比较成熟的控制系统。
随着现代工业的迅速发展，对工业过程的要求也越来越高，用于工业过程控制的自动化装置也迅速发展，因此对工业过程控制的要求也随之提高。
作为研究工业过程控制系统组成，基本控制规律，以及工业过程控制系统的设计，投运的课程-----过程控制工程也越来越受到重视，并使得该课程成为自动化相关专业的一门重要的专业课程。
本课程的任务是：使学生通过本课程的学习，获得工业过程控制系统的基本理论、基本知识和基本技能，掌握测量与变送器、执行器、智能控制仪表、以及工业生产过程中的一些具体设备等自动化装置的原理与使用方法，掌握基本过程控制系统设计的方法与控制器参数的整定方法，从而为从事与本课程有关的的技术工作打下一定的基础。
二、课程的基本要求本课程采用传统的课堂讲授模式，在课堂安排上，做到精讲教学内容和学生课外自学、阅读相结合，使学生了解重点、认识难点，突出重点、剖析难点，掌握重点、化解难点，提高学生解决问题能力；引导学生课前预习、课后复习，加深对其基础知识的巩固和对前沿领域的了解。
本课程的主要内容包括基本过程控制系统、先进控制系统、过程控制工程三大模块。
其中基本过程控制系统及过程控制工程为本课程的主要学习部分，要求学生可以运用所学知识对常见的过程控制系统加以论证或者进行必要的定性定量分析。
《过程控制工程》课件
反馈控制原理基于负反馈机制，通过传感器检测系统输出，并将其与期望输出进行比较，产生一个误差信号。控 制器根据误差信号调整系统输入，以减小实际输出与期望输出之间的偏差。这种控制方式具有快速响应、抗干扰 能力强等优点。
前馈控制原理
总结词
前馈控制原理是一种开环控制系统，通过预先对扰动因素进行补偿，来减小其 对系统输出的影响。
执行器分为电动、气动和液压等类型，根据被控对象的特性选择合适的执行器， 以实现精确的控制效果。
传感器
传感器是过程控制系统中的测量元件，用于检测被控对象的 参数并将其转换为电信号或数字信号。
传感器的类型包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等 ，它们的选择直接影响系统的测量精度和控制效果。
过程单元
系统仿真
总结词
系统仿真是在计算机上模拟实际生产过 程，用于评估和比较不同控制策略的效 果。
VS
详细描述
系统仿真通过模拟生产过程中各个工艺变 量的变化，可以预测系统在不同控制策略 下的行为。通过比较不同控制策略的效果 ，可以找到最优的控制方案。系统仿真还 可以用于培训操作人员，提高其对系统的 理解和操作能力。
02
过程控制系统的基本组 成
控制器
控制器是过程控制系统的核心，用于 接收来自传感器的输入信号，并根据 设定值与实际值的偏差产生控制输出 。
控制器的类型包括比例控制器、积分 控制器和微分控制器等，它们通过不 同的控制算法来调整执行器的输出， 以实现系统的稳定和优化。
执行器
执行器是过程控制系统的执行机构，根据控制器的输出信号来调节被控对象的参 数。
详细描述
集成化控制系统将生产过程中的各种设备和系统进行集成，实现数据共享、信息交互和协同工作，提高生产过程 的整体协调性和效率。同时，集成化控制系统还有助于降低能源消耗和减少环境污染，促进可持续发展。
过程控制工程第二章.
K c1 max 19
K c1 9.5,
10 %
若采用单回路
G(S ) K C1GP 2 (S )GP1 (S )
c 0.16,
K max 10 .8
上例说明设计串级控制具有如下优点： (1)副回路 C 2 (1.1) 单回路 C (0.16 ) 副对象的动态滞后总比整个对象的动态滞后小，副回路的临界频率
G p1 G p1 Gm1
Gc1 Gc2 GvG p2 G p1 1 Gc2 GvG p2 Gm2 Gc1 Gc2 GvG p2 G p1 Gm1
C1 F1
1 Gc1
G p1 Gc2 Gv G p2 1 Gc2 Gv G p2 Gm2
G p1 Gm1
G p1 Gc2 Gv G p2 Gm2 G p1 1 Gc2 Gv G p2 Gm2 Gc1 Gc2 Gv G p2 G p1 Gm1
系统相位穿越频率：
s 12 10 s 1
K c2
2arctg (c2 ) artg (10c2 ) 180 c2 1.1
G 2 ( j ) K c 2 1 1
2 1
10 2 1
令 c2 ,
K c2
2018/10/12
G2 ( j c2 ) 1
⑤需要对流量实现精确的跟踪时，将流量选为副对象
2018/10/12
13
例：精馏塔底质量指标控制
主变量：提馏段温度 TT 101 FT 102 TC 101 中间变量：加热蒸汽流量 加热蒸汽压力 再沸器气相回流量 FC 101 FT 101
3 FC 102
PT 101
过程控制工程孙洪程答案.doc
过程控制工程孙洪程答案【篇一：过程控制工程教学大纲】xt> 过程控制工程（process control engineering ）课程性质：专业主干课适用专业：机电一体化技术学时分配：课程总学时：60 学时其中理论课学时：60 学时；实验课学时：0 学时；先行课程情况：先行课：高等数学、单片机原理与应用、自动控制原理、传感器技术等；教材：孙洪程，李大宇，翁维勤编著．《过程控制工程》．北京：高等教育出版社，2013 年12 月重印参考书目：1、邵裕燊．过程控制工程．北京：机械工业出版社2、何衍庆，俞金寿，蒋慰孙．工业生产过程控制．北京：化学工业出版社一、课程的目的与任务过程控制工程是机电一体化技术专业开设的主干课之一，主要研究工业生产过程中应用比较成熟的控制系统。
随着现代工业的迅速发展，对工业过程的要求也越来越高，用于工业过程控制的自动化装置也迅速发展，因此对工业过程控制的要求也随之提高。
作为研究工业过程控制系统组成，基本控制规律，以及工业过程控制系统的设计，投运的课程----- 过程控制工程也越来越受到重视，并使得该课程成为自动化相关专业的一门重要的专业课程。
本课程的任务是：使学生通过本课程的学习，获得工业过程控制系统的基本理论、基本知识和基本技能，掌握测量与变送器、执行器、智能控制仪表、以及工业生产过程中的一些具体设备等自动化装置的原理与使用方法，掌握基本过程控制系统设计的方法与控制器参数的整定方法，从而为从事与本课程有关的的技术工作打下一定的基础。
二、课程的基本要求本课程采用传统的课堂讲授模式，在课堂安排上，做到精讲教学内容和学生课外自学、阅读相结合，使学生了解重点、认识难点，突出重点、剖析难点，掌握重点、化解难点，提高学生解决问题能力；引导学生课前预习、课后复习，加深对其基础知识的巩固和对前沿领域的了解。
本课程的主要内容包括基本过程控制系统、先进控制系统、过程控制工程三大模块。
其中基本过程控制系统及过程控制工程为本课程的主要学习部分，要求学生可以运用所学知识对常见的过程控制系统加以论证或者进行必要的定性定量分析。
过程控制工程课件
过程控制工程注重生产过程的安全性和环境保 护，减少对人员和环境的风险。
过程控制工程的定义和作用
定义
过程控制工程是一种综合应用工程学科，旨在通过 优化和自动化控制系统，实现生产过程的稳定运行 和优化控制。
作用
过程控制工程可以提高生产效率、保证产品质量、 降低成本、确保产品一致性和安全性。
过程控制工程的基本原理
2 控制器和执行器
控制器和执行器用于根据监测到的数据，调 整生产过程中的参数，以实现控制目标。
3 数据分析和优化
通过对生产过程数据的分析和优化，过程控 制工程可以改进系统的效率和质量。
4 自动化控制系统
自动化控制系统是过程控制工程的核心，用 于监控和调整生产过程中的各种参数。
过程控制工程的挑战和发展趋势
1
反馈控制
通过监测和比较实际输出与期望输出，
前馈控制
2
反馈控制可以自动调整输入参数，保持 系统的稳定性。
前馈控制根据预测未来需求，提前调整
输入参数，以预防系统出现偏差。
3
模型预测控制
利用数学模型对系统进行建模和预测， 以实现更精确和灵活的控制。
过程控制工程的应用领域
石油炼制
过程控制工程在石油炼制领域中起着关键作用，确 保炼油过程的安全性和产品质量。
3 确保产品一致性和安全性
过程控制工程有助于确保产品的一致性，并防止生产过程中的人为和自然灾害导致的事 故。
要点
自动化控制系统
过程控制工程依赖于自动化控制系统来监控和 调整生产过程中的各种参数。
数据分析和优化
通过数据分析和优化技术，过程控制工程可以 改进生产过程的效率和质量。
传感器和仪表
传感器和仪表是过程控制工程中的关键技术， 用于测量和监测生产过程中的各种物理量。
《过程控制》
《过程控制》课程笔记第一章概论一、过程控制系统组成与分类1. 过程控制系统的基本组成过程控制系统主要由被控对象、控制器、执行器、检测仪表四个部分组成。
（1）被控对象：指生产过程中的各种设备、机器、容器等，它们是生产过程中需要控制的主要对象。
被控对象具有各种不同的特性，如线性、非线性、时变性等。
（2）控制器：控制器是过程控制系统的核心部分，它根据给定的控制策略，对检测仪表的信号进行处理，生成控制信号，驱动执行器动作，从而实现对被控对象的控制。
控制器的设计和选择直接影响控制效果。
（3）执行器：执行器是控制器与被控对象之间的桥梁，它接收控制器的信号，调节阀门的开度或者调节电机转速，从而实现对被控对象的控制。
执行器的响应速度和精度对控制系统的性能有很大影响。
（4）检测仪表：检测仪表用于实时测量被控对象的各项参数，如温度、压力、流量等，并将这些参数转换为电信号，传输给控制器。
检测仪表的准确性和灵敏度对控制系统的性能同样重要。
2. 过程控制系统的分类根据控制系统的结构特点，过程控制系统可以分为两大类：开环控制系统和闭环控制系统。
（1）开环控制系统：开环控制系统没有反馈环节，控制器根据给定的控制策略，直接生成控制信号，驱动执行器动作。
开环控制系统的优点是结构简单，成本低，但缺点是控制精度较低，容易受到外部干扰。
（2）闭环控制系统：闭环控制系统具有反馈环节，控制器根据检测仪表的信号，实时调整控制策略，生成控制信号，驱动执行器动作。
闭环控制系统的优点是控制精度高，抗干扰能力强，但缺点是结构复杂，成本较高。
二、过程控制系统性能指标1. 稳态误差：稳态误差是指系统在稳态时，输出值与设定值之间的差值。
稳态误差越小，表示系统的控制精度越高。
稳态误差可以通过调整控制器的参数来减小。
2. 动态性能：动态性能是指系统在过渡过程中，输出值随时间的变化规律。
动态性能指标包括上升时间、调整时间、超调量等。
动态性能的好坏直接影响到系统的响应速度和稳定性。
第二篇83章ppt课件
Gc (z)
1 HG p
(z)
z 1N 1 z 1N
缺点：易产生较大的振荡，并且，算法中没有可调参数。
12.2 大林（Dahlin）控制算法
对于在最小拍控制算法的改进，使输出达到给定值的时 间放得稍长一些，减轻Y的振荡。
即： Y (s) es R(s) Ts 1
R为阶跃变化，R（S）=1/S
离散化，求Y（Z），再求R（Z），求出Y（Z）/R（Z） P236 式12-19
已经形成专用仪表装 置。
11.1 按计算指标的控制系统
（2）热焓控制系统
①热焓控制目的 热焓——单位重量/体积的物料所积存的热量 精馏塔操作，热焓是一个主要干扰 单相进料，温度与热焓为单值关系， 可用图11-3的控制方案 混合进料，温度与热焓不是单值关系，需要进行热焓控制
②热焓运算的数学模型及实施框图
液位有小波动，流量也有小的波动——均匀控制
系统的组成可采用单回路或串级结构 P190 图8-2 （A）、（B）
8.1.1 液位的非线性控制 （2）非线性控制器类型
① PI、PID型，不灵敏区内只是增益K发生变化——A型
② PI型，K和Ti同时起作用——B型
③ 不敏区内以PV代替SP，因此，不灵敏区成为“死 区”，不灵敏区外，和B型一样
11.1 按计算指标的控制系统 （2）热焓控制系统
TC
F
图11-3
第12章
按Z变换设计的控制系统
12. 1 最小拍控制算法 12.2 大林控制算法 12.3 采样控制系统
教学进程
12 按z变换设计的控制系统
数字控制系统
R(s)
R(z)
U(z)
Ys(s)
Gc(s)
过程控制章习题答案完整版
过程控制章习题答案 HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】第一章单回路控制系统1.1 何谓控制通道何谓干扰通道它们的特性对控制系统质量有什么影响控制通道——是指操纵变量与被控变量之间的信号联系；干扰通道——是指干扰作用与被控变量之间的信号联系。
（1）控制通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面）控制通道静态放大倍数越大，系统灵敏度越高，余差越小。
但随着静态放大倍数的增大，系统的稳定性变差。
控制通道时间常数越大，经过的容量数越多，系统的工作频率越低，控制越不及时，过渡过程时间越长，系统的质量越低，但也不是越小越好，太小会使系统的稳定性下降，因此应该适当小一些。
控制通道纯滞后的存在不仅使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还还会使系统的稳定性降低。
（2）干扰通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面）干扰通道放大倍数越大，系统的余差也越大，即控制质量越差。
干扰通道时间常数越大，阶数越高，或者说干扰进入系统的位置越远离被控变量测量点而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响越小，系统的质量则越高。
干扰通道有无纯滞后对质量无影响，不同的只是干扰对被控变量的影响向后推迟一个纯滞后时间τ0。
1.2 如何选择操纵变量？1）考虑工艺的合理性和可实现性；2）控制通道静态放大倍数大于干扰通道静态放大倍数；3）控制通道时间常数应适当小些为好，但不易过小，一般要求小于干扰通道时间常数。
干扰动通道时间常数越大越好，阶数越高越好。
4）控制通道纯滞后越小越好。
1.3 控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响对控制系统的动态质量有何影响比例度δ越小，系统灵敏度越高，余差越小。
随着δ减小，系统的稳定性下降。
1.5图1-42为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。
试问：影响物料出口温度的主要因素有哪些如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁为什么如果物料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开闭形式及控制器的正反作用答：影响物料出口温度的因素主要有蒸汽的流量和温度、搅拌器的搅拌速度、物料的流量和入口温度。
过程控制系统教学课件
页。分散控制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、控
制技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构形式,按总 体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制。 由于采用了分散的结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再 加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组 态、扩展极为方便，还有众多的控制算法(几十至上百种) 、较好 的人—机界面和故障检测报告功能。经过20 多年的发展，它已 日臻完善，在众多的控制系统中，显示出出类拔萃的风范，因此， 可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里 程碑。
§0-4 过程控制的组成及术语
一、系统组成
以液体储槽的水位控制为例进行说明。 1、控制原理(如下图) 液位变送器
液位控制器 执行器
1-1典型单回路控制系统
2、系统方块图
3、主要组成部分
(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。 (2)、检测变送单元：仪表课中已做介绍。 (3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。 (4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的
优化。它表现的最大特征是仿人脑功能，这一点在某种程
度上是回复到初级阶段的人工控制，但更多的是在人工控 制基础上的进步与飞跃。
§0-3 过程控制的特点
过程控制的目的：保持过程中的有关参数为一 定值或按一定规律变化。
1、被空对象的多样性 2、对象特性的难辨性
白色系统、黑色系统、灰色系统的概念 3、普遍存在滞后 4、特性往往具有非线性： 如间歇式加温、齿轮运动等。
有气动和电动两种。
(5)、控制阀：控制进料量。有气开式和气关式之别。
过程控制工程2
的输入信号。 生产中，出现的干扰信号是随机的。但在分析和设计控制系统时，
为了充分体现系统的特性和分析方便，常选择一些特定的输入信号，其 中常用的是阶跃信号和正弦信号。
❖ 阶跃信号的输入突然，对被控变量的影响也最大。如果一个控制系 统能够有效地克服这种干扰，那么对其它比较缓和的干扰也能很好地克
y
静态
动态
静态
t
2、动态—把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。 即控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过渡过程。当 干扰破坏了系统的平衡时，被控变量就会发生变化，而控制器、控制阀等 自动化装置就要产生控制作用来使系统恢复平衡。 动态特性—在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。
❖ 一、 概述
对象是过程控制系统的主体。系统的控制质量在很大程度上取决 于对象的特性。
研究对象特性通常是以某种形式的扰动输入对象，引起对象输出发 生相应的变化，这种变化在时域或者频域上用微分方程或传递函数 进行描述，称为对象的动态特性
关于对象的输入与输出
输入输出通道 ： 干扰通道 控制通道
注：在扰动发生后有些系统发生变化，有些能达到新的平衡， 有些却不能再平衡下来，前者称为有自平衡能力的对象，后者 则称为无自平衡能力的对象。
面的评价。
1）衰减比n和衰减率ψ
设第一个波振幅为 y1、第三个波振幅为 y3
y
r
y1
y3
C
y(∞)
Tp
T
TS
t
闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
衰减比 n 和衰减率ψ 是表示系统稳定程度的指标。n大于1，则系统 是稳定的。随着n的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。
孙洪程版过程控制课后答案
第一章思考题及习题1.1何谓控制通道?何谓干扰通道?它们的特性对控制系统质量有什么影响?答：所谓“通道”，就是某个参数影响另外一个参数的通路，这里所说的控制通道就是控制作用(一般的理解应当是控制器输出)U(s)对被控参数Y(s)的影响通路(一般的理解是控制作用通过执行器影响控制变量，然后控制变量通过被控对象再影响被控参数，即广义对象上的控制通道)。
同理，干扰通道就是干扰作用F(s)对被控参数Y(s)的影响通路。
干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。
控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示1.2如何选择控制变量?答：① 所选控制变量必须是可控的。
② 所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。
③ 所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小。
④ 所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。
⑤ 所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。
⑥ 在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。
一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量1.3控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响?对控制系统的动态质量有何影响?答：当G c(s)=K c时，即控制器为纯比例控制，则系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度δ成正比，即比例度越大，余差也就越大。
K c增大、δ减小，控制精度提高(余差减小)，但是系统的稳定性下降。
1.4 4：1衰减曲线法整定控制器参数的要点是什么?答：衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间T i放在最大，微分时间T d放在最小，比例度放于适当数值(一般为100%)，然后使δ由大往小逐渐改变，并在每改变一次δ值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。
如果衰减比大于4：1，δ应继续减小，当衰减比小于4：1时δ应增大，直至过渡过程呈现4：1衰减时为止。
宋彤过程控制工程-课程总结
➢ 扩大阀门的可调比（同向调节阀） ➢ 满足某些工艺操作的特殊要求（异向调节阀）
分程阀组流量特性改善 阀门组可调比
2）知识点
概念 阀门组合方式及应用目的 组合阀门关于信号的动作关系 分析设计
第七章 阀位控制系统（双重控制）
1）基本内容 解决控制系统的动特性（快速性，有效性）
与经济性及合理性的协调问题。 特点：
➢ 系统构成特点； ➢ 操作特点 ；
应用
2）知识点 系统由两个控制器分别控制两个调节阀 主控制器输出作为阀位控制器的测量输入信号
阀位控制回路是以主控制器控制的调节阀的开度 为被控变量的单回路控制系统，即：其给定值是 设定的阀门开度信号值
Gn1 Gn2 L GnnFn1 Fn2 L Fnn
➢ 简化解耦
人为地设定一个解耦模型的框架（通过设定解耦阵 中若干个元素为1来简化解耦阵），通过使原系统 传递关系阵与解耦阵之积为对角阵的方法求取F阵 中其余元素从而获得解耦装置模型。
➢ 解耦合设计及解耦合矩阵求取
第九章 先进控制技术
1）主要内容
基本概念、应用基础
➢ 干扰对被控变量存在显著影响，反馈控制难以克 服的场合
➢ 工艺要求按照某一给定数学模型实施控制的场合
注意：一般前馈控制不能单独应用
前馈与反馈控制的互补关系
项目 检测信号 控制依据 控制滞后 控制质量 克服干扰 回路类型
前馈控制 干扰信号 干扰大小
及时 变量不变性 仅一种干扰
开环
反馈控制 被控变量 偏差大小
操作特点
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G (s) Gp (s)(1 es )
Smith补偿器
9.2
纯滞后补偿的效果 系统方块图整理后，实际上把纯滞后环节提到了控制 回路之外。 纯滞后对控制品质没有影响，与没有纯滞后的控制效 果一样，只是过渡过程有一个滞后。
Smith补偿器的加入，提高了控制品质。
R
GC(s)
Gτ (s)
图9-3
过程控制系统及工程
第二篇 第8 章 先进控制系统 非线性控制系统
信息学院自动化系：孙洪程
Email:Sunhc@
第 章
非线性控制系统
8.1 线性过程的非线性控制
8
8.2
8.3
非线性过程的非线性控制
位式控制
教学进程
8.1 线性过程的非线性控制
两类非线性控制系统： 过程是线性的，为了满足某种特殊要求 而引入的非线性控制规律；
1 F22
d)
F11 1
F12 1
对于a) 求得：
1 F ( s) G21 ( s ) G (s) 22
G12 ( s ) G11 ( s ) 1
10.3 解耦控制应用实例
精馏塔两端温度控制方案 ：
通过塔顶温度控制保证顶部产品的质量，操纵变 量为回流量L；塔底产品的质量通过对塔底温度 的控制来保证，控制质量为再沸器的加热蒸气量 W。塔顶和塔底产品的质量（组分）分别以Y1和 Y2表示。 显然，在这一控制方案中，系统间的关联是不容 忽视的。并可以通过计算机分别进行未经解耦和 简化解耦的模拟实验。
10.2 解耦控制方案
（2）简化解耦
选择一种简化的解耦模型 F（S）的某两个元素固定为1。而且，这两个1不能处于 一个控制器的输出端。如改用简化解耦，解耦装置模 型可以有下面四种不同的形式。
a)
1 F 21
F12 1
b)
1 F 21
1 F22
c)
F11 1
8.2.2 反应器的非线性控制
图8-14 间歇反应器反应温度控制 非线性串级控制器，变增益非线性控制器
25（1+b|eM|）
KS
eM TR给定 eS 主控制器 × TJ 副过程 TR 主过程
－
－
图8-15
8.3 位式控制
较为古老的控制方式，继电器型控制， 输出不连续控制信号
缺点：产生不衰减的振荡环 8.3.1 位式控制的改进及其发展
非线性函数发生器
快速调节器
通过状态反馈，得到开关函数，决定控制作用， 以实现时间最优控制
8.3.2 Bang-Bang 控制
（3）自适应Bang-Bang控制
Bang-Bang 控制器
u
过程
y
自适应开 关计算机
图8-21
8.3.2 Bang-Bang 控制
（4）复式时间最优的 Bang-Bang控制
属于一种最优控制，时间最优控制，可以通过最优控制 理论进行推导 关键：开关时间的计算
（1）手动Bang-Bang控制
操作人员根据开关时间计算公式求出切换时间，手动 控制阀门
Hale Waihona Puke 8.3.2 Bang-Bang 控制
（2）自动Bang-Bang控制 快速调节器
σ (x1，x2) x1 χ2= χ 1 . S u Gp y = x1
引如自适应控制器，感测系统的响应，判别 系统的控制状态
不灵敏区宽度
非 线 性 控 制 器
到控制阀
自 适 应 控 制 器
ph
8.2.1 pH控制的非线性控制
非线性控制器，根据 PH 控制系统的响应，输出 信号去设定非线性控制器的不灵敏区的宽度 除此之外，PH值还可以采用智能控制（实 际上也是非线性控制）
G12 ( s) P 1 ( s) P ( s) G22 ( s) 2
Y ( s ) G ( s ) P( s )
解耦控制—设计控制系统，消除系统之间耦合
10.1 关联系统解耦条件
条件：广义对象的传递矩阵G（S）必须是对角阵
方法：在相互关联的系统中增加一个解耦装置（解耦 矩阵F（S）），使对象的传递矩阵与解耦装置矩阵 的乘积为对角阵。
内回流稳定是保证塔良好操作的一个重要因素
一般希望内回流稳定或者按一定的规律变化
11.1 按计算指标的控制系统
②内回流和外回流的关系： P224 图11-1 Li = Lo +ΔL ToH - TR变化不大时，可 以由 Lo 代替Li，否则， 需要内回流控制
VR
TOH
LO,
TR
V2 Li
11.1 按计算指标的控制系统
c
T2>T1
图8-16 控制特性近似为PID
8.3.1 位式控制的改进及其发展
（3）带模型反馈的位式控制 双位式控制器、模型和被控设备，控制 器与模型 组成反馈回路
_ R
Am e s m 1 Tm s
u
Ap e
s
p
1 Tp s
c
图8-19 使用模型的开关控制
8.3.2 Bang-Bang 控制
有些非线性特性严重的过程，必须采用非线性控制
8.2.1 pH控制的非线性控制
典型的非线性过程 图8-9 在PH值为7附近非线性畸变 严重，斜率非常大，普通PID控制器难于控制 PH控制在工业应用很多，如污水处理过程
11 10 9
8
pH
7 6 5 4 3 0
10
20 30
40 50
C试剂/升溶液
8.2.1 pH控制的非线性控制
特征方程中不包含纯滞后环节，控制品质提高。
史密斯补偿的计算机实现
一阶滞后对象的纯滞后补偿器电路图
产生纯滞后信号的方法
•存储单元法 为了形成滞后L的信号，需在内存中开辟L+1个存储 单元，以存储P(k)的历史数据。
•多项式近似原理 计算e-τs时，可将其按幂级数展开为
e
s
1 (1
s
2
)
（1）带不灵敏区的非线性控制 在PH=7附近实施不灵敏区的控制作用 关键：不灵敏区的宽度、不灵敏区内的增益，参数 整定时试凑 （2）自适应PH值控制 PH值变化曲线，会由于在废水中添加了弱酸或碱， 有所改变
10 8 6 4 2
0 1 2 3 4 5
10 8 6 4 2
0 1 2 3 4 5
8.2.1 pH控制的非线性控制
（1）一般的改善方法 合理选择中间区，或采用多位式控制，以减小振荡的 幅值。
8.3.1 位式控制的改进及其发展
（2）控制作用的改进
脉冲宽度调制，输出变成一系列的方波，方波宽度 受输入偏差的调制，提高方波变化的频率，接近连续 控制，可消除振荡。
ė
时间比例式——脉冲输出的平均值与偏差e成正比
e K K T1s 1 T2 s 1
第 章
新型控制系统
9. 1 9.2 纯滞后补偿原理 纯滞后补偿控制的效果
9
9.3
史密斯补偿的实现
教学进程
9.1 纯滞后补偿原理
控制通道的纯滞后对控制品质影响非常不利 如何对纯滞后进行处理
Gp (s)e
s
G (s)
设计一个补偿器，使并联后的等效传递函数消除纯滞后
Gp (s)es G (s) Gp (s)
8.1.1 液位的非线性控制 （2）非线性控制器类型 ① PI、PID型，不灵敏区内只是增益K发生变化——A型
② PI型，K和Ti同时起作用——B型 ③ 不灵敏区内以PV代替SP，因此，不灵敏区成为“死 区”，不灵敏区外，和B型一样
8.1.1 液位的非线性控制
参数整定要注意的问题：
①作为液位均匀控制器，其不灵敏区以外的控制作用要 大些，迅速拉回到不灵敏区内； ②不灵敏区的宽度要略小于工艺允许波动范围，使得液 位超出不灵敏区后有一定的控制过程
2
第
10章
解耦控制系统
10. 1 10.2 关联系统解耦条件 解耦控制方案
10.3
解耦控制应用实例
教学进程
10 解耦控制系统
R1 P1（s） G11（s） Y1(s)
Gc1(s)
R2
Gc2(s)
G12(s) G (s) 21 P2（s） G22（s）
Y2(s)
Y1 ( s) G11 ( s) Y ( s) G ( s) 2 21
过程本身是非线性的，引入非线性单元或规律 用以补偿。
8.1 线性过程的非线性控制
8.1.1 液位的非线性控制 （1）实现均匀控制 采用带不灵敏区的非线性控制规律
不灵敏区内，控制器增益比较小，即对偏差不灵敏。
液位偏差在不灵敏区小范围波动时，控制器输出变化 很小，控制阀动作很小 液位有小波动，流量也有小的波动——均匀控制 系统的组成可采用单回路或串级结构 P190 图8-2 （A）、（B）
（2）热焓控制系统 ①热焓控制目的 热焓——单位重量/体积的物料所积存的热量 精馏塔操作，热焓是一个主要干扰 单相进料，温度与热焓为单值关系， 可用图11-3的控制方案 混合进料，温度与热焓不是单值关系，需要进行热焓控制 ②热焓运算的数学模型及实施框图
VSS 采用计算机实现容易，简单的可以采用仪表的一 些计算单元完成 图8-5 一个简单的变结构控制器 对于高阶系统的控制效果好于一般PID控制器
K1 S ( )2 ( )2
√ ( )
ė
输入偏差
K2 TP
Ti /s
eP
+1 -1
×
up
GA
u 输出
PI 开关
过程
8.2 非线性过程的非线性控制
Kc (1 e K ln 25)25