第8、9、10章非线性、纯滞后、解耦控制系统
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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)es
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
ė 时间比例式——脉冲输出的平均值与偏差e成正比
e
c
-
KK T1s 1 T2s 1
T2>T1
图8-16 控制特性近似为PID
教学进程
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
Ame s m 1 Tm s
Ap e s p 1 Tp s
u c
图8-19 使用模型的开关控制
教学进程
8.3.2 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
教学进程
8.3.2 Bang-Bang 控制
教学进程
8.2.2 反应器的非线性控制 P197 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
eS
TR给定
主控制器
×
－
－
TJ 副过程
TR 主过程
8.2.3 智能控制
图8-15
教学进程
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
控制器
u
y
自适应开 关计算机
图ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-21
教学进程
8.3.2 Bang-Bang 控制
（4）复式时间最优的 Bang-Bang控制
启动
采样r(n),y(n)
|r(n)—y(n)|→|e(n)|
否
Bang-Bang算式
|e(n)|＜a？
PID算式
送输出通道
图8-22
教学进程
第9章
纯滞后补偿控制系统
9.1 纯滞后补偿原理 9.2 纯滞后补偿的效果 9.3 史密斯补偿的实现
8.1.1 液位的非线性控制
B型的控制效果好些 P192 图8-3 采用选择性控制系统实现非线性的均匀控制
正作用
LC 高位继动器
Fi
正作用 > 高选器
低位继动器
正作用
< 低选器
气开
Fo
教学进程
8.1.2 线性过程的其它非线性控制
变结构控制（VSS） 逻辑单元根据系统的要求和特点，选择运算规律
开关元件
01 2 3
45
10 8 6 4 2
01
23
45
教学进程
8.2.1 pH控制的非线性控制
引如自适应控制器，感测系统的响应，判别系统的控制 状态，图8-13
不灵敏区宽度
非
自
线
适
性
应
控
控
制
制
器
器
到控制阀 ph
教学进程
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）
（2）自动Bang-Bang控制 快速调节器
σ(x1，x2) x1
u
y = x1
Gp
. χ2= χ 1 S 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
教学进程
8.3.2 Bang-Bang 控制 （3）自适应Bang-Bang控制
Bang-Bang
过程
过程控制工程
Process Control Engineering
第8章非线性控制系统 第9章 纯滞后补偿控制系统
第10章 解耦控制系统
第9 课 北京化工大学 信息科学与技术学院自动化系 宿翀
第8章
非线性控制系统
8.1 线性过程的非线性控制 8.2 非线性过程的非线性控制 8.3 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； 过程本身是非线性的，引入非线性单元或规律
用以补偿。
教学进程
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。
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 （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。
教学进程
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（PWM），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。
6 5 4 3
0 10
20 30
40 50
C试剂/升溶液
教学进程
8.2.1 pH控制的非线性控制
（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
GA
u 输出
教学进程
8.2 非线性过程的非线性控制
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 P195 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
区”，不灵敏区外，和B型一样
教学进程
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
③不灵敏区内的KC的大小与不灵敏区宽度综合考虑
教学进程
运算单元 执行装置
过程
逻辑单元
教学进程
8.1.2 线性过程的其它非线性控制
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
P193 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
(•)2
√(•)
输入偏差
ė
S
K2
(•)2
eP
TP
+1 -1
Ti /s
×
up
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）
教学进程
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
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)es
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
ė 时间比例式——脉冲输出的平均值与偏差e成正比
e
c
-
KK T1s 1 T2s 1
T2>T1
图8-16 控制特性近似为PID
教学进程
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
Ame s m 1 Tm s
Ap e s p 1 Tp s
u c
图8-19 使用模型的开关控制
教学进程
8.3.2 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
教学进程
8.3.2 Bang-Bang 控制
教学进程
8.2.2 反应器的非线性控制 P197 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
eS
TR给定
主控制器
×
－
－
TJ 副过程
TR 主过程
8.2.3 智能控制
图8-15
教学进程
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
控制器
u
y
自适应开 关计算机
图ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-21
教学进程
8.3.2 Bang-Bang 控制
（4）复式时间最优的 Bang-Bang控制
启动
采样r(n),y(n)
|r(n)—y(n)|→|e(n)|
否
Bang-Bang算式
|e(n)|＜a？
PID算式
送输出通道
图8-22
教学进程
第9章
纯滞后补偿控制系统
9.1 纯滞后补偿原理 9.2 纯滞后补偿的效果 9.3 史密斯补偿的实现
8.1.1 液位的非线性控制
B型的控制效果好些 P192 图8-3 采用选择性控制系统实现非线性的均匀控制
正作用
LC 高位继动器
Fi
正作用 > 高选器
低位继动器
正作用
< 低选器
气开
Fo
教学进程
8.1.2 线性过程的其它非线性控制
变结构控制（VSS） 逻辑单元根据系统的要求和特点，选择运算规律
开关元件
01 2 3
45
10 8 6 4 2
01
23
45
教学进程
8.2.1 pH控制的非线性控制
引如自适应控制器，感测系统的响应，判别系统的控制 状态，图8-13
不灵敏区宽度
非
自
线
适
性
应
控
控
制
制
器
器
到控制阀 ph
教学进程
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）
（2）自动Bang-Bang控制 快速调节器
σ(x1，x2) x1
u
y = x1
Gp
. χ2= χ 1 S 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
教学进程
8.3.2 Bang-Bang 控制 （3）自适应Bang-Bang控制
Bang-Bang
过程
过程控制工程
Process Control Engineering
第8章非线性控制系统 第9章 纯滞后补偿控制系统
第10章 解耦控制系统
第9 课 北京化工大学 信息科学与技术学院自动化系 宿翀
第8章
非线性控制系统
8.1 线性过程的非线性控制 8.2 非线性过程的非线性控制 8.3 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； 过程本身是非线性的，引入非线性单元或规律
用以补偿。
教学进程
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。
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 （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。
教学进程
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（PWM），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。
6 5 4 3
0 10
20 30
40 50
C试剂/升溶液
教学进程
8.2.1 pH控制的非线性控制
（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
GA
u 输出
教学进程
8.2 非线性过程的非线性控制
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 P195 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
区”，不灵敏区外，和B型一样
教学进程
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
③不灵敏区内的KC的大小与不灵敏区宽度综合考虑
教学进程
运算单元 执行装置
过程
逻辑单元
教学进程
8.1.2 线性过程的其它非线性控制
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
P193 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
(•)2
√(•)
输入偏差
ė
S
K2
(•)2
eP
TP
+1 -1
Ti /s
×
up
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）
教学进程
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