非线性补偿过程控制(自动化)

1、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。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

2、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100806040200204060801003.3f 100l 1001243( )myf duTC蒸汽凝液进料TspTmTG2G1, T1u(t)假设主要干扰为进料流量。可写出热平衡方程:2111)(GTTGC11121GGCGTKp控制通道静态增益:补偿方法补偿方法：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）TC蒸汽凝液进料TspTmTG2G1, T1u(t)11121GGCGTKpG1G2即控制阀开

3、度KpKv选等百分比阀从静态增益补偿的角度考虑：非线性增益补偿方法非线性增益补偿方法1-调节阀特性补偿（续）调节阀特性补偿（续）TC蒸汽凝液进料TspTmTG2G1, T1u(t)热平衡方程:2111)(GTTGC11121GGCGTKp控制通道静态增益:从动态特性变化的角度考虑：G1G2即控制阀开度TpKv选快开阀稳定性变差非线性增益补偿方法非线性增益补偿方法1-调节阀特性补偿（续）调节阀特性补偿（续）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。3、调节阀的流量特性，在实际管路中可

4、能由于阀两端差压的变化而发生畸变畸变。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。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主要扰动因素下，对过程特性进行补偿。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反馈凸轮的特性来获得所需的流量特性。补偿方法补偿方法：通过引入串级控制方式，克服副回路中的非线性。FCTC进料出料燃料油Fspv(t)P1P2Fm非线性增益补偿方法2-串级控制的内回路补偿对于内环等效对象的稳态增益：1222mpvcKKKK221mpKK2222221mpvcpvcpKKKKKKKK结 论随负荷变化的Kp2

5、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。补偿方法补偿方法：通过引入中间变量u，实现主对象主对象增益的近似线性。蒸汽凝液工艺介质T2RVRFFCT2spRVspTCu(t)非线性增益补偿方法3-比值器实现非线性补偿121()FVC RTTR21VFTRRVFRRu21FFTRuR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。

6、 pH中和过程被调液体生成液中和液F2, pH2F1, pH1VOHOHH2中和反应:中和反应平衡式: 214)/(10LmolKOHHwpHpHOHHHpH1410,10,lgpH的定义式:pH中和过程的稳态模型被调液体生成液中和液F1,C1, pH1VF2,C2, pH2假设先混合后反应, 混合后的酸与碱浓度x1、 x2分别为2212212111,cFFFxcFFFx中和反应的结果使混合液中的剩余酸浓度剩余酸浓度为12HOHxxx242xKxHwHHKxwpH中和过程的非线性2111222,24lglgFFcFcFxxKxHpHwpH值与x是非线性关系，即中和过程具有严重的非线性特性中和过

7、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AC被调液体生成液中和液SP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.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

8、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。pH中和过程的非线性变比值串级控制方案被调液体生成液中和液FCpHCyspFuRsp干扰：被调液体的流量前馈控制前馈控制中和过程的变比值串级PID控制AC被调液体生成液中和液FCF2F1pHmu2pHsp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

9、降至4.5;(4) t = 210 min，中和液pH值从11下降至10.5.应用：该方案的实施和调整都比较简便，因而在实际过程中获得了较为广泛的应用。缺点：该方案对被调液体量变化具有较强的抗扰动能力，但对于被调液体的pH值变化仍缺乏有效的控制手段；同时，由于过程严重的非线性，仍不能保证整个操作范围内控制系统均为稳定。pH中和过程的非线性控制讨论讨论：由于pH中和过程非线性的特殊性，作为最常用的补偿对象非线性的方法，通过选择调节阀流量特性以实现广义对象的近似线性难以奏效。而采用直接引入“非线性增益补偿”环节的方法可自由地实现控制系统开环增益的线性化。PIDGV (s)GP (s)GM (s)p

10、Hmuf+_+pHsppH中和过程特点：在pH值在7附近时，此时添加的中和剂略有少量的变化，即引起pH值较大幅度的波动。而当pH值远离中和点时，只有较大的中和剂量的变化，才能造成pH值的少量的变化 。因此，采用pH值线性控制系统，由于控制器的增益是始终不变的，必将造成中和点附近的严重超调，而其他地方由于控制作用不够，难以保证系统的控制质量。解决办法：为了解决被控对象的严重非线性问题，一种有效的方法是采用非线性控制器，以补偿对象的非线性。在pH值控制中，经常采用带不灵敏区的非线性控制器。该控制器的特点是：被控变量控制偏差在不灵敏区内，控制器的增益很小；而当偏差超出不灵敏区时，控制器增益增加数十倍

11、或更多。中和过程非线性增益补偿原理中和剂量/升溶液pH0102030405076543891011控制点非线性控制器增益线性化增益pH以控制器的非线性来补偿被控对象的非线性，最终组成一个近似的线性控制系统。带不灵敏区的非线性控制器参数整定问题主要解决如何合理设置不灵敏区宽度、不灵敏区内的增益。不灵敏区宽度的整定，是pH值控制回路是否稳定的关键。事先估计不灵敏区宽度较困难，一般用尝试法来整定。非线性增益补偿仿真变增益PID控制器原理简单，且具有令人满意的控制性能。所以，带不灵敏区的非线性控制器，已成功地应用于工业污水处理的pH控制中。为了进一步提高系统的控制质量，还可在非线性控制的同时，加上串级控制，组成非线性串级控制系统。结结 论论非线性变换串级控制 pHpHpHfHOHx1010)(14 当非线性主要由滴定曲线引起时，酸碱平衡浓度x与中和液流量呈近似线性。同时