10.非线性补偿-过程控制(自动化)解析

C1G1 (T T1 ) G2
控制通道静态增益:
T 1 G2 C1G1 G1
Kp
补偿方法：通过合理选择调节阀的流量特性，实现广义对象增益 的近似线性。
非线性增益补偿方法1 --调节阀特性补偿（续）
蒸汽 G2 u(t)
TC
Tsp
Tm G1, T1 进料 凝液 T
T 1 Kp G2 C1G1 G1

14 pH
pH中和过程的稳态模型
中 和 液
F2,C2, pH2
假设先混合后反应, 混合后 的酸与碱浓度x1、 x2分别为
被调液体
F1,C1, pH1
生成液
x1
F1 F2 c1 , x2 c2 F1 F2 F1 F2
V
中和反应的结果使混合液 中的剩余酸浓度为
x x2 x1 [OH ] [ H ]
从静态增益补偿的角度考虑：
G1 Kp G2 Kv 选等百分比阀 即控制阀开度
非线性增益补偿方法1 --调节阀特性补偿（续）
蒸汽 G2 u(t)
TC
Tsp
热平衡方程:
C1G1 (T T1 ) G2
Tm
G1, T1 进料 凝液 T
控制通道静态增益:
T 1 Kp G2 C1G1 G1

pH中和过程
中和反应:
被调液体 中 和 液
F2, pH2
H OH H 2O
中和反应平衡式:

F1, pH1
生成液
H OH K
w
1014 (m ol/ L) 2
V
pH的定义式:
pH
H 10 , OH 10
pH lg H ,
非线性增益补偿方法2 --串级控制的内回路补偿
TC
Fm
Fsp
FC 进料 出料
补偿方法：通过引入串 级控制方式，克服副回 路中的非线性。
v(t) P1 P2
燃料油
对于内环等效对象的稳态增益：
K
' p2

Kc 2 Kv K p 2 1 Kc 2 Kv K p 2 K m2
Kc 2 Kv K p 2 Km2 1
非线性增益补偿控制
对象增益非线性补偿方法




调节阀特性补偿，使广义对象增益为近似线性； 串级控制方式，以系统的鲁棒性来克服副回路中对 象的非线性； 引入比值等中间参数，使主回路广义对象的增益为 近似线性； 变增益控制器：通过引入对象增益的反函数以使系 统的回路增益为线性； 自适应控制器：根据控制系统的性能自动调整控制 器的增益，以使系统的回路增益为近似线性。
非线性增益补偿方法1 --调节阀特性补偿
100
Hale Waihona Puke 803 1 4f ×100
60
40
y f (d ) um
20 3.3 0 20 40 60 l ×100
2
80
100
非线性增益补偿方法1 --调节阀特性补偿（续）
蒸汽 G2 u(t)
TC
Tsp
假设主要干扰为进 料流量。可写出热 平衡方程:
Tm G1, T1 进料 凝液 T
' 1 Kp 2
Km2
结 论

随负荷变化的Kp2对Kp2′影响很小，等效副对象的放大 系数主要由反馈回路的Km2来决定。 在系统设计时，只要把被控过程中随负荷变化的那一 部分特性包括到副回路中去，就可起到对非线性的校 正作用。

非线性增益补偿方法3 --比值器实现非线性补偿
u(t) × RF RVsp RV
Kw x [ H ] [H ]
[H ]
x2 x Kw 4 2
pH中和过程的非线性
2 x x F2c2 F1c1 pH lg[ H ] lg Kw , x 4 2 F1 F2
pH值与x是非线性关系，即中和过程具有严重的非线性特性
从动态特性变化的角度考虑：
G1 Tp G2 稳定性变差 即控制阀开度 Kv 选快开阀
结 论
在进行调节阀流量特性选择时还需注意几个问题： 1、对过程的非线性补偿，可以只考虑静态补偿，但有时也需 从动态上加以考虑，这要看具体过程的情况而定。 2、在多种扰动因素下，过程特性可能有不同规律的变化。此时， 选用调节阀应考虑在主要扰动因素下，对过程特性进行补偿。 3、调节阀的流量特性，在实际管路中可能由于阀两端差压的变 化而发生畸变。因此，最后确定的流量特性，应考虑对管路特性 所造成畸变的修正。 4、装有阀门定位器的调节阀，可以采用改变定位器反馈凸轮的 特性来获得所需的流量特性。


单回路控制方案：由于中和曲线通常在pH=7附近具 有最大的灵敏度，即中和剂对pH值的通道增益最大， 因而控制系统极 易在pH=7附近产生等幅振荡 。为避 免出现等幅振荡，可引入调节死区，即在pH=7附近 不改变中和剂的流量。但带来的问题是控制系统的 控制精度下降，中和剂消耗增大。 在单回路控制系统中，当中和液控制阀前压力变化 较大时，解决办法 -------设置中和液流量的副回路控 制以提高控制性能。



单回路控制中，非线性因素主要存在于两个部分：一是用于实 际控制的测量仪表或执行机构中所包含的非线性，如控制器中 的限幅特性，阀门的等百分比、抛物线和快开等特性都属于非 线性特性。 二是对象本身存在非线性（如对象的增益不是常数而是负荷等 因素的非线性函数 ----- 变增益的对象，有些对象动态特性的 描述用非线性方程来表示。）。 主要针对变增益对象特性，探讨常用的非线性补偿方法。
FC
T2sp
TC
蒸汽
补偿方法：通过引入中间变 量u，实现主对象增益的近 似线性。
T2
凝液
工艺 介质
RV RF u
C1RF (T2 T1 ) RV
T2 1 RV RF
T2 1 RF u RF
结论

U是中间变量 ，是蒸汽流量RV与工艺物料量RF之比，被控变 量T2为工艺介质的出口温度。 由公式可知，u与T2间的静态 增益与负荷无关，即主对象增益为线性。 图中的控制系统结构：变比值控制系统。
中和过程的动态模型
参见 p. 239 图14.3-3
pH中和过程的单回路控制
中 和 液
被调液体
AC
SP
生成液
仿真实验过程: (1) t = 60 min，pH设定值从6.5提高至7.0; (2) t = 110 min，被调酸性液体的流量F1从30 L/min下降至15 L/min; (3) t = 160 min，被调液体pH值从5下降至4.5; (4) t = 210 min，中和液pH值从11下降至10.5.