过程控制工程课件

第一章简单控制系统第一章简单控制系统工业生产过程控制研究的基本观点第一章简单控制系统

第一节控制系统组成和控制性能指标一、控制系统的组成1、简单控制系统示例2、控制系统的框图3、控制系统的有关术语4、控制系统框图的几点说明

二、控制系统的控制性能指标1、时域控制性能指标2、积分性能指标3、控制系统正常运行的重要准则第二节过程动态特性和建立过程的动态模型

一、过程动态特性1、典型过程动态特性自衡的非振荡过程无自衡的非振荡过程自衡的振荡过程具有反向特性的过程2、过程特性对控制性能指标的影响增益的影响时间常数的影响时滞的影响扰动进入系统位置的影响时间常数匹配的影响被控变量与操作变量的选择二、过程动态模型的建立1、对过程模型的要求2、过程模型建立的方法机理建模示例系统辨识方法

机理建摸方法

混合方法第三节检测变送环节

一、检测变送环节的性能1.检测元件和变送器的作用：2.对检测变送单元的基本要求：3.选用时的基本考虑：4.动态特性○对Tm的基本考虑：

减小Tm的途径：○对τm的考虑：

τm=l/w减小τm的途径：二、对检测变送信号的处理1.滤波及信号处理的目的：2.滤波的方法：模拟滤波：数字滤波：3.数字滤波的算法：4.信号处理：第四节执行器环节一、执行器概述1.执行器的类型2.执行机构的分析3.调节机构的分析二、流量特性1.线性流量特性2.等百分比流量特性3.抛物线流量特性4.快开流量特性三、控制阀特性的选择1.从静态考虑选择控制阀的工作特性2.从动态考虑选择控制阀的工作特性3.从控制阀的工作特性选择控制阀的理想特性4.控制阀气开、气关形式的选择;5.压降比S的考虑四、阀门定位器的正确使用五、其他执行器第五节控制器的模拟控制算法一、基本控制算法分析二、比例控制算法1.比例控制算法2.比例增益对控制系统的影响三、比例积分控制算法1.比例积分控制算法2.对PI控制作用的分析3.PI控制作用对系统过渡过程的影响四、积分饱和及其防止1.积分饱和2.积分饱和的防止五、比例微分控制算法1.比例微分控制算法2.使用注意事项六、比例积分微分控制算法1.比例积分微分控制算法2.PID控制作用对过渡过程的影响第六节控制器的数字控制算法一、模拟控制算法的数字化1.位置算法2.增量算法3.速度算法二、数字控制算法的改进1.数字控制算法的特点2.数字控制算法的改进

★对积分控制算法的改进★对微分控制算法的改进3.实现数字控制算法时应注意的问题三、连续系统的离散化1.差分近似2.输入只在采样时刻作变化情况下的精确方法3.s域到z域的对应变换4.插入保持器后s域到z域的对应变换5.时间离散系统到时间连续系统的变换第七节控制器参数整定和控制系统投运一、控制器参数整定的若干原则对已存在的控制系统，调整控制器参数使系统达到满意的控制品质二、控制器参数整定1.控制器参数的经验整定法2.控制器参数的半经验整定法★衰减曲线法★临界比例度法★控制度法3.控制器参数整定的反应曲线法★Ziegler&Nichols法★Lopez法★Cohen-Coon法4.理论计算法5.控制器正反作用的设置三、控制系统的投运和维护第八节与PID控制密切相关的几类控制算法一、二维PID控制算法1.PID-PD控制算法2.设定滤波的两维PID控制算法二、时间比例控制系统1.开关控制2.时间比例控制三、差拍控制系统1.差拍控制系统的基本原理2.差拍控制系统的特点3.Dahlin控制算法★Dahlin控制算法★改进Dahlin控制算法4.V.E.控制算法5.卡尔曼控制算法差拍控制算法总汇第一节控制系统组成一、控制系统的组成液位控制系统示例当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量（液位）与设定值保持一致检测被控变量，并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算输出信号驱动操纵变量（流量）最终使被控变量回复到设定值变送器检测液位控制器对偏差运算执行器改变操纵变量

一、控制系统的组成压力控制系统的示例当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量（压力）与设定值保持一致检测被控变量，并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算输出信号驱动操纵变量（流量）最终使被控变量回复到设定值变送器检测压力控制器对偏差运算执行器改变操纵变量

第一节控制系统组成一、控制系统的组成温度控制系统示例当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量（温度）与设定值保持一致检测被控变量，并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算输出信号驱动操纵变量（流量）最终使被控变量回复到设定值变送器检测温度控制器对偏差运算执行器改变操纵变量

返回TTTCθ蒸汽设定值FTFC设定值LTLC设定值(a)温度控制系统(b)压力控制系统(c)液位控制系统图1-1简单控制系统示例PTPC设定值(d)流量控制系统返回第一节控制系统组成

一、控制系统的组成

控制系统的框图

控制系统由被控对象、检测变送、控制器和执行器等组成传递函数随动控制系统（Fixedsetpointcontrolsystem）传递函数：定值控制系统（Follow-upcontrolsystem）传递函数：返回控制系统组成请点击被控对象请点击变送器请点击计算机请点击检测元件请点击控制器请点击执行器请点击返回被控对象变送器计算机检测元件控制器执行器一、控制系统的组成

控制系统框图的几点说明返回说明几点：简单控制系统有两个通道：控制通道和扰动通道。框图中的各个信号都是增量。图中的箭头表示信号的流向，并非物流或能流的方向。各环节的增益有正、有负。当该环节的输入增加时，其输出增加，则该环节的增益为正，反之，如果输出减小则增益为负。返回对象的增益有正、有负例如：加热系统的增益为正、冷却系统的增益为负；气开阀的增益为正、气关阀的增益为负；正作用控制器的增益为负，反作用控制器的增益为正；检测变送器的增益一般为正。通过调整控制器的正反作用来保证系统为负反馈。加热系统对象放大倍数为正采用气开阀放大倍数为正检测变送器放大倍数为正控制器应选放大倍数为正即反作用冷却系统对象放大倍数为负采用气开阀放大倍数为正检测变送器放大倍数为正控制器应选放大倍数为负即正作用通常将执行器、被控对象和检测变送环节合并为广义对象，广义对象传递函数用Go(s)表示。控制系统中如果包含采样开关，则这类控制系统称为采样控制系统（Samplingcontrolsystem）。返回第一节控制系统组成

二、控制系统的控制性能指标

时域控制性能指标返回1.衰减比n：衰减比（Subsidenceratio）是控制系统的稳定性指标。它是相邻同方向两个波峰的幅值之比。即：n<1扩散振荡即不稳定n=1等幅振荡n.>1衰减振荡n无穷大为非周期过程衰减率ψ也用于表示控制系统的稳定性。它是每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即：

2．超调量和最大动态偏差：随动控制系统中，超调量（Overshoot）σ定义为：

定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即：3．余差：它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在阶跃输入作用下，余差（Steady-stateerror）为：定值控制系统中，r=0，因此有：e(∞)=-C。余差是控制系统稳态准确性指标。4．回复时间和振荡频率：被控变量从过渡过程开始到进入稳态值±5%或±2%范围内的时间作为过渡过程的回复时间Ts（Settlingtime）。回复时间是控制系统的快速性指标。振荡频率ω与振荡周期T的关系是

在相同衰减比n下，振荡频率越高，回复时间越短；在相同振荡频率下，衰减比越大，回复时间越短。5．偏离度：控制系统偏离度是被控变量统计特性的描述。在相同干扰作用下，定值控制系统输出的最大偏差越大，系统的偏离度越大；在相同的衰减比下，系统输出的周期越大，系统的偏离度越大。返回综合性控制指标（积分鉴定指标）返回控制系统运行的重要准则返回第二节过程特性及动态模型建立

一、过程特性类型过程特性类型参数估计曲线拟合返回过程特性1：自衡非振荡过程下一页上一页返回过程特性2：无自衡非振荡过程

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返回过程特性3：有自衡振荡过程

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上一页

返回过程特性4：具有反向特性的过程

上一页

返回增益的影响返回时间常数的影响

返回时间常数匹配的影响

返回扰动进入系统位置的影响返回时滞的影响：

控制通道时滞的影响：当检测变送环节存在时滞时，被控变量的变化不能及时传送到控制器；当被控对象存在时滞时，控制作用不能及时使被控变量变化；当执行器存在时滞时，控制器的信号不能及时引起操纵变量的变化。因此，开环传递函数存在时滞，使控制不及时，超调增大，并引起系统不稳定。用τo/To反映时滞的相对影响。通常，τo/To≤0.3时，系统尚可用简单控制系统进行控制，当τo/To>0.3时，应采用其他控制方案对该类过程进行控制。因此，在设计和应用时应尽量减小时滞，有时可增大时间常数以减小τo/To。扰动通道时滞的影响：时滞τf的存在不影响系统闭环极点的分布，因此，不影响系统稳定性。它仅表示扰动进入系统的时间先后，即不影响控制系统控制品质。被控变量和操纵变量的选择深入了解工艺过程，选择能够反映工艺过程的被控变量；尽量选用易于测量且关系简单的直接质量指标作为被控变量；操纵变量的选择原则：选择对被控变量影响较大的操纵变量，即Ko尽量大；选择对被控变量有较快响应的操纵变量，即过程的τo/To应尽量小；过程的To/Tf

应尽量小；使过程的KfF尽量小；工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合。过程动态模型的建立

对过程模型的要求对过程模型的要求是正确、可靠和简单。过程动态模型可分为三类；黑箱模型、白箱模型和灰箱模型。过程模型建立的方法有：系统辩识方法-经验建模方法；机理建模方法：混合方法。返回系统辩识方法：根据过程输入输出数据确定过程模型的结构和参数的建模方法称为系统辩识方法，建立的模型称为黑箱模型。过程辨识的方法很多，依据输入变量的变化情况（即所施加外作用的形式），目前大致可分为非周期函数，周期函数，非周期性随机函数及周期性函数等四类。阶跃响应法脉冲响应法

需要验前知识少，但建立的模型不具有放大功能，即不能类推到不同型号的放大设备或过程中。(1).阶跃响应法

阶跃响应法非常简单，只要有遥控阀和被控变量纪录仪表就可以进行。先使工况保持平稳一段时间，然后使阀门作阶跃式的变化（通常在10％以内），在此同时把被控变量的变化过程记录下来，得到广义对象的阶跃响应曲线。把对象作为具有时滞的一阶对象来处理：

式中K0—对象放大系数；T0—对象时间常数；τ—对象时滞。各参数求法如下：

τ=时间轴原点至通过拐点切线与时间轴交点的时间间隔T0=被控变量y完成全部变化量的63.2％所需时间-τ。

另外一种确定τ和T0的方法，是把达到39％和63％响应的时间读出来，分别用t0.39和t0.63来表示，按下式计算

T0=2（t0.63-t0.39）

τ=2t0.39-t0.63

(2)脉冲响应法输入是⊿u(t)=⊿u1(t)+⊿u2(t)=⊿u1(t)-⊿u(t-⊿t)而输出是⊿y(t)=h1(t)+h2(t)=h1(t)-h1(t-⊿t)∴h1(t)=⊿y(t)+h1(t-⊿t)

上式表示了响应曲线关系式，在0～⊿t时间内，h1(t)等于脉冲响应即h1(t)=⊿y(t)，而后h1(t)等于当时的脉冲响应⊿y(t)加⊿t时间以前的阶跃响应h1(t-⊿t)，随着时间推移就可得到完整阶跃响应曲线。得阶跃响应曲线后，可以通过前述有关方法求取过程的数学模型。返回机理建模方法：

根据过程的内在机理，应用物料平衡、能量平衡和有关的化学、物理规律建立过程模型的方法是机理建模方法，又称为过程动态学方法。建立的模型称为白箱模型。

建立机理模型的方法是：列写基本方程：物料平衡和能量平衡方程等；消去中间变量，建立状态变量x、控制变量u和输出变量y的关系；增量化：在工作点处对方程进行增量化，获得增量方程；线性化：在工作点处进行线性化处理，简化过程特性；列写状态和输出方程。机理模型的优点是：

（1）可以充分利用已知的过程知识，从事物的本质上去认识外部特性（2）可以验前得出，在流程和设备的设计阶段即能求取；（3）有较大的适用范围，操作条件变化是可以类推。但也有两个弱点：（1）

对于复杂的过程，人们对基本方程的某些参数不完全掌握，例如，换热器的K值，由传热学书籍提供的公式可能有±10～30％的误差。又如，象精馏塔的塔板效率、塔板流体中的汽液比值等参数，很难预先精确估计；（2）如不经过输入输出数据的验证，则近乎纸上谈兵，难以判断其正确性。下一页返回上一页返回混合方法：把两种途径结合，可兼采两者之长，补各自之短。介于上述两种方法之间的建模方法，称为混合方法。所得模型称为灰箱模型。返回一、测量性能返回二、动态特性返回三、滤波和信号处理返回1、执行器的类型控制框图返回执行器的传递函数描述返回2、执行机构的分析死区的影响返回返回3、调解机构的分析返回控制阀流量特性返回特性曲线等百分比流量特性第一页下一页返回第二页下一页返回上一页第三页下一页上一页返回第四页下一页上一页返回第五页下一页上一页返回第六页下一页上一页返回第七页下一页上一页返回等百分比流量特性特性曲线返回快开流量特性返回特性曲线抛物线流量特性特性曲线返回随动控制系统：设定值R变化返回定值控制系统：负荷变化返回定值控制系统：阀前后的压力变化返回从动态性能考虑控制阀的工作特性返回根据压降比S选择控制阀的理想特性返回根据被控变量选择控制阀的理想特性返回换热器定值控制系统中控制阀的选择返回选择控制法特性时的注意事项返回控制阀气开、气关形式的选择

返回压降比S的考虑

返回阀门定位器的工作原理返回阀门定位器的功能返回其他执行器返回基本控制算法分析返回P作用控制算法返回比例度返回控制器的正反作用返回方框图和传递函数返回控制器增益对控制品质的影响返回控制器增益Kc对最大偏差的影响最大偏差---对于二阶衰减振荡可见，随着过程增益Kc的增加，最大偏差减小，但稳定性变差。液位控制的余差返回随动控制系统—单比例余差对于二阶衰减振荡随着增大Kc，余差减小，而超调量增大。超调量随动控制系统返回定值控制系统返回幅频特性分析返回开环不稳定对象的示例返回比例积分控制算法返回对PI控制作用的分析返回对稳定性的影响返回控制器积分时间变化时的输出曲线返回定值控制系统控制器积分时间变化时的输出曲线随动控制系统返回积分饱和返回示例安全放空系统返回积分饱和的防止积分外反馈PI控制规则的实现返回积分外反馈返回比例微分控制算法返回比例微分控制算法使用注意事项返回比例积分微分控制算法返回PID控制作用对过渡过程的影响返回位置算法返回增量算法返回速度算法返回离散PID算法特点返回采样周期的考虑影响控制度因素采样周期对控制品质的影响返回香农定理返回采样周期的选择返回影响控制度因素返回对积分作用的改进之一返回对积分作用的改进之二返回对积分作用的改进之三返回微分先行不完全微分输入滤波实现数字控制算法时应注意的问题（输入）

返回数字滤波DDC系统框图对检测变送信号的处理（局部放大）返回DDC系统原理框图返回实现数字控制算法时应注意的问题（信号量化和线性化）返回示例信号量化示例返回实现数字控制算法时应注意的问题（输出）返回应注意的问题返回PID控制作用比例作用P是基本控制作用，输出与输入无相位差。Kc越大控制作用越强，随着Kc的增加(比例度δ减小)

，余差下降，最大偏差减小，但稳定性变差。比例作用P引入积分作用I后，可以消除余差。但是幅值增加，相位滞后，使稳定性裕度下降，为保持同样稳定性裕度，Kc应减少10-20%(比例度δ应增加10-20%)。积分时间Ti越短，积分作用越强，Ti趋向无穷大时无积分作用。应防积分饱和。PID控制作用比例作用P引入适当微分作用D后，幅值增加，相位超前，使稳定性裕度提高，为保持同样稳定性裕度，Kc应增加10-20%(

比例度δ应减少10-20%)。微分作用D可以克服容滞后，但对时滞毫无作用。微分时间Td越大，微分作用越强，Td=0无微分作用。控制器参数整定的若干原则返回控制器参数整定的若干原则返回控制器参数整定的若干原则返回控制器参数整定的若干原则返回控制器参数整定的若干原则返回控制器参数的经验整定法

返回控制器参数经验数据流量：对象时间常数小，参数有波动，δ要大40―100%；Ti要短0.3―1min；不用微分。温度：对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓，

δ应小20―60%；Ti要长3―10min；一般需加微分Td=0.5­―3min压力：对象的容量滞后不算大，一般不加微分

δ=30―70%Ti=0.4―3min液位：对象时间常数范围较大，要求不高时，δ可在一定范围内选取，一般不用微分，δ=20―80%

控制器参数的经验整定法返回控制器参数的半经验整定法返回临界比例度法返回控制度法返回Ziegler&Nichols法

返回Lopez法返回Cohen-Coon法返回根轨迹法返回根轨迹法返回控制器正反作用的设置

返回气开阀例一蒸汽气开阀例二气关阀例三自整定调节器继电型自整定-山武霍尼韦尔公司TDC3000-SCCGo(s)dhRY

继电型自整定方法简单、可靠，需要预先设定的参数就是h和d继电特性的参数

该方法的缺点是，被控对象须能在开关信号作用下产生等幅振荡，从而限制了其使用范围。

横河北辰公司-YEWSERIES-80自整定PID控制器FOXBORO-EXACT自整定PID控制器控制系统的投运和维护返回扰动进入系统位置的影响返回时间常数匹配的影响

返回增益的影响返回时间常数的影响

返回时滞的影响：

控制通道时滞的影响：当检测变送环节存在时滞时，被控变量的变化不能及时传送到控制器；当被控对象存在时滞时，控制作用不能及时使被控变量变化；当执行器存在时滞时，控制器的信号不能及时引起操纵变量的变化。因此，开环传递函数存在时滞，使控制不及时，超调增大，并引起系统不稳定。用τo/To反映时滞的相对影响。通常，τo/To≤0.3时，系统尚可用简单控制系统进行控制，当τo/To>0.3时，应采用其他控制方案对该类过程进行控制。因此，在设计和应用时应尽量减小时滞，有时可增大时间常数以减小τo/To。返回扰动通道时滞的影响：时滞τf的存在不影响系统闭环极点的分布，因此，不影响系统稳定性。它仅表示扰动进入系统的时间先后，即不影响控制系统控制品质。返回被控变量和操纵变量的选择深入了解工艺过程，选择能够反映工艺过程的被控变量；尽量选用易于测量且关系简单的直接质量指标作为被控变量；操纵变量的选择原则：选择对被控变量影响较大的操纵变量，即Ko尽量大；选择对被控变量有较快响应的操纵变量，即过程的τo/To应尽量小；过程的To/Tf应尽量小；使过程的KfF尽量小；工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合。返回第二章常用复杂控制系统第一节串级控制系统一、基本原理、结构和性能分析1.基本概念和系统结构2.性能分析

★能迅速克服进入副回路扰动的影响

★改善主控制器Gc2的广义对象特性，提高工作频率

★容许副回路内各环节特性在一定范围内变动不影响整个系统控制品质

★能够更精确控制操纵变量的流量

★可实现更灵活的操作方式二、串级控制系统设计和工程应用中的问题1.串级控制系统主、副被控变量的选择2.串级控制系统主、副控制器控制规律的选择3.串级控制系统主、副控制器正反作用的选择4.串级控制系统的积分饱和及防止积分饱和的措施5.串级控制系统中副环的非线性6.串级控制系统中控制器的参数整定和系统投运三、串级控制系统的变型1.引入中间辅助变量的串级控制系统2.引入阀门定位器的串级控制系统第二节均匀控制系统一、基本原理和结构1.基本原理2.均匀控制系统的实施方案

★单回路控制系统结构

★串级控制系统结构★双冲量均匀控制系统结构

○被控变量的差作为被控变量

○被控变量的和作为被控变量3.均匀控制系统的特点和示例二、控制器参数整定1.控制器控制规律的选择2.控制器参数整定3.控制系统分析

★控制系统分析

★液位被控对象近似为积分环节

★液位被控对象近似为一阶惯性环节第三节比值控制系统一、基本原理、结构和性能分析1.基本原理2.基本结构3.性能分析二、控制方案分析1.相乘方案的实施2.相除方案的实施三、比值控制系统设计和工程应用中的问题1.主动量和从动量的选择2.比值控制系统类型的选择3.比值函数环节的选择4.检测变送环节的选择5.其他问题6.比值控制系统的参数整定和投运四、比值控制系统的变型1.快速跟踪2.无限可调比的比值控制系统3.均分控制系统公式汇总第四节前馈控制系统一、基本原理、结构和性能分析1.基本原理2.基本结构●单纯前馈控制系统●前馈信号与反馈信号相乘的前馈-反馈控制系统●前馈信号与反馈信号相加的前馈-反馈控制系统3.性能分析二、前馈控制系统设计和工程应用中的问题1.扰动变量的选择2.前馈控制规律的设计3.前馈-反馈控制系统中流量副回路的引入4.前馈控制通道中非线性环节的处理5.前馈控制规律的实现和偏置值的设置6.前馈控制系统的参数整定和投运7.多变量前馈控制系统8.比例滞后控制第五节分程控制系统一、基本原理、结构和性能分析1.基本原理2.基本结构和性能分析

釜式反应器温度分程控制系统分析二、分程控制系统设计和工程应用中的问题1.分程控制系统中控制阀的泄漏量2.分程控制工作范围的选择和实现3.分程点广义对象特性的突变

●分程控制用于适应不同控制要求

●分程控制用于扩大可调范围示例一示例二示例三第六节选择性控制系统一、基本原理、结构和性能分析1.基本原理2.基本结构和性能分析

●选择器位于两个控制器和一个执行器之间

●选择器位于几个检测变送环节与控制器之间

●利用选择器实现非线性控制规律二、选择性控制系统与其他控制系统的结合1.选择性控制系统与比值控制系统的结合

●具有逻辑规律的比值控制系统

●从动量供应不足时的比值控制系统2.选择性控制系统与分程控制系统的结合3.补充燃料的选择性控制系统三、选择性控制系统设计和工程应用中的问题1.选择器类型的选择2.控制器的选择3.防积分饱和选择性控制实验实验结果第七节双重控制系统一、基本原理、结构和性能分析1.基本原理和结构2.性能分析

●增加开环零点，改善控制品质，提高系统稳定性

●提高双重控制系统的工作频率

●动静结合，快慢结合，急则治标，缓则治本二、双重控制系统设计和工程应用中的问题1.主、副操纵变量的选择2.主、副控制器的选择3.主、副控制器正反作用的选择4.双重控制系统的关联5.双重控制系统的投运和参数整定第八节基于模型计算的控制系统一、根据模型计算测量值的控制系统1.质量流量的控制2.热量控制3.内回流控制二、根据模型计算设定值的控制系统1.具有压力补偿的温度控制2.离心压缩机的防喘振控制系统3.根据计算指标控制系统应用时的注意事项三、非线性控制1.补偿被控对象的非线性

●采用控制阀的非线性流量特性补偿

●采用非线性控制规律进行补偿

●采用串级控制系统2.位式控制3.满足一定控制要求而引入的非线性第二章结束

谢谢！控制系统框图GC2(s)GF1(s)GF2(S)GM2(s)GM1(s)GP1(s)GP2(s)GV(s)GC1(s)R1E1U2QY2Y1F1F2U1=R2E2YM1YM2串级控制系统的框图串级控制系统的相关名词术语主被控变量y1是要保持平稳控制的主要被控变量。副被控变量y2是串级控制系统的辅助被控变量。主控制器、副控制器的传递函数Gc1(s)、Gc2(s)。主被控对象、副被控对象传递函数Gp1(s)、Gp2(s)。主被控变量的检测变送环节Gm1(s)、副被控变量的检测变送环节Gm2(s)。主被控变量的测量值ym1、副被控变量的测量值ym2。F1和F2分别是进入主、副被控对象的扰动。扰动通道传递函数分别为Gf1(s)和Gf2(s)。由Gc2(s)、

Gv(s)、Gp2(s)和Gm2(s)组成的控制回路称为副回路，或副环。由Gc1(s)和副回路、Gp1(s)和Gm1(s)组成的控制回路称为主回路，或主环。串级控制系统中有关的传递函数如下：串级控制系统传递函数GC2(s)GF1(s)GF2(S)GM2(s)GM1(s)GP1(s)GP2(s)GV(s)GC1(s)R1E1U2QY2Y1F1F2U1=R2E2YM1YM2GC2(s)GF1(s)GF2(S)GM1(s)GP1(s)GP2(s)GV(s)U2QY2Y1F1F2E2YM2R2串级控制框图提高系统工作效率下一页上一页工作效率和其他参数的关系串级控制框图示例一示例二示例三示例四示例五防积分饱和串级控制框图串级控制框图方案二方案一与单回路液位控制的区别下一页下一页下一页下一页示例一示例二下一页下一页下一页下一页计算公式前馈与反馈控制的比较前馈控制框图下一页上一页下一页上一页下一页上一页下一页下一页上一页上一页示例二示例一示例二示例一正常：TC→控制阀u1=kc1e1+u1/(Tis+1)Tis/(Tis+1)u1=kc1e1u1/e1=(Tis+1)/TisPI作用而LC：u2=kc2e2+u1/(Tis+1)u1<u2异常：e2反向时u2=kc2e2+u1/(Tis+1)<u1此时LC切上u2=kc2e2+u2/(Tis+1)具有PI作用u1=kc1e1+u2/(Tis+1)>u2

满足同步要求TCLCTY<u1u2控制阀下一页上一页下一页上一页第三章先进控制系统第一节状态反馈控制

在有些系统中，状态变量是可以直接测量的，例如图示系统中，操纵变量是液体流入量q，而h1、h2和h3这三个液位信号都可作为状态变量，系统方程是qh1Qoh2h3R3C3C2R2R1C1写成这样的标准形式A=设h3作为输出变量y，则在y＝Cx式中

为了控制最下面一个贮槽的液位h3，可以有各种方法：取y3为被控变量，q为操纵变量，构成简单控制系统。这个系统是三阶的，过程滞后较大。取y3为主被控变量，y2或（及）y1为副被控变量，构成液位－液位串级控制系统。在简单控制系统的基础上，在控制器输出端加上来自h1和h2的辅助变量信号。这种引入辅助变量的系统，能与串级控制系统一样及早地发现某些扰动的影响，并使过渡过程的动态指标有所改进。

与第（3）种方法相似，我们可以直接取状态变量进行反馈，即取

式中的K为反馈矩阵，设令x为n维，u为m维，则K是一个多维矩阵，其元素kij一般为系数，必要时也可包括动态环节。如果某一状态变量x不好测得，或其他原因未进行反馈，则K矩阵中第j列的元素为零。状态反馈系统的框图见图

C

K

u

x

yx=Ax+Bu设计状态反馈控制系统的关键是决定反馈向量K。通常有两种方法：（a）以实现线性二次型最优性能指标为目标求K。这一方法最终归结为Riccati方程的求解，称线性最优控制。（b）零极点配置方法。它是通过选取状态反馈阵K，使闭环系统的特征值满足给定的要求，从而实现期望的闭环响应。示例：

要求极点：-2,-1+j,-1-j设计状态反馈求k1,k2,k3=要求；

第一节状态反馈控制

一、状态反馈和极点控制1.控制系统的描述★状态空间表达式★传递函数矩阵★输入输出差分方程2.状态反馈和输出反馈3.极点配置4.状态反馈矩阵K的计算★Ackermann公式直接计算状态反馈矩阵★控制器规范型系统状态反馈矩阵K的计算二、状态反馈控制系统设计和工程应用中的问题1.消除控制系统的余差2.状态变量的获取3.闭环极点的确定第二节预测控制一、预测控制的基本特征1.基本概念2.预测控制的基本算法★预测模型★反馈校正★滚动优化★参考轨线二、预测控制系统实施时应注意的问题1.稳态余差2.参数选择3.具有时滞或反向特性系统的预测控制4.反馈校正和过程病态的消除5.约束的表示6.输入输出轨迹三、预测控制算法第三节解耦控制一、系统关联分析和相对增益1.多变量控制系统的关联2.相对增益阵列★两个增益★相对增益★相对增益的特点★多输入多输出系统的相对增益阵列二、解耦控制的设计和工程应用中的问题1.解耦控制系统设计原则2.减少与解除耦合的途径3.串接解耦装置的设计4.工程应用中的有关问题★其他控制器的影响★动态耦合的影响★偏置值的设置和解耦装置的简化第四节软测量和推断控制一、软测量技术1.软测量技术概述2.回归法建模3.人工神经网络法建模4.模型的校正5.示例二、推断控制系统1.推断控制基本原理★信号分离★估计器E(s)★推断控制器2.推断反馈控制★主要被控变量y不可测时的推断反馈控制★主要被控变量y可测时的推断反馈控制第五节自适应控制和鲁棒控制一、自适应控制系统基本结构和类型1.自适应控制系统的基本结构2.自适应控制系统的基本类型3.过程辨识的实验方法二、简单自适应控制系统1.依据偏差自动调整控制器参数2.依据扰动自动调整控制器参数三、自整定控制器1.继电器型自整定控制器2.波形识别自整定控制器四、自校正控制器1.自校正控制器的基本结构2.最小方差控制器五、模型参考自适应控制系统1.模型参考自适应控制系统的基本结构2.参数最优化方法3.基于李亚普诺夫稳定性理论的方法六、鲁棒控制第六节时滞补偿控制一、Smith预估补偿控制1.Smith预估补偿控制原理2.实施Smith预估补偿控制时的注意事项3.内模控制二、其他时滞补偿控制系统1.增益自适应补偿控制2.观测补偿控制★观测器的基本原理★观测补偿控制系统的分析★实施时的注意事项3.预估校正控制系统★控制方案★性能分析★实施中的问题第七节智能控制一、智能控制概述二、专家系统1.专家系统概述2.知识表示3.推理机制三、模糊控制1.模糊理论基础★隶属函数和模糊集★模糊集运算2.模糊控制和模糊控制器的设计★模糊控制器基本结构★模糊控制知识表述★基本模糊控制器的设计★模糊控制器的分析四、神经网络控制1.人工神经元2.人工神经网络3.人工神经网络在自动化中的应用第八节监督控制一、监督控制概述二、操作优化控制1.操作优化的过程变量确定★目标函数的确定★运行变量x的确定2.约束条件的确定3.优化算法的确定三、统计过程控制1.统计控制图2.主元分析和部分最小二乘★主元分析★部分最小二乘第九节故障检测诊断和容错控制一、故障检测诊断的基本概念1.基本概念2.故障检测和诊断的主要方法★基于动态数学模型的方法★基于知识的方法二、工况监测控制三、容错控制1.容错控制的意义2.几类利用冗余信息的容错控制系统★不设置FDD装置的容错控制系统★基于故障检测和诊断的容错控制第十节综合自动化一、综合自动化的意义整个生产过程实质上是一个数据采集、传递和加工的过程最后形成的产品可以看作是数据的物质表现二、综合自动化系统的的特点递阶系统结构系统结构集成和信息集成控制和管理一体化三、现场总线和现场总线控制系统现场总线共有八类现场总线控制系统把控制功能彻底分散现场总线控制系统软件包括：现场总线组态软件、维护软件、仿真软件、现场设备管理软件等返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回预测控制基本结构图返回返回返回返回预测控制的优点返回返回下一页下一页上一页上一页返回返回返回返回返回下一页返回上一页下一页返回上一页下一页示例返回返回上一页下一页示例返回返回上一页示例返回程序返回返回返回下一页返回上一页下一页返回上一页下一页示例结论返回返回返回上一页返回下一页返回上一页下一页返回上一页返回返回示例返回返回返回下一页返回上一页下一页返回上一页下一页返回上一页返回下一页返回上一页下一页返回上一页下一页返回上一页返回下一页返回上一页返回返回返回下一页返回上一页返回下一页示例返回返回上一页返回下一页返回上一页参数估计返回下一页返回上一页下一页返回上一页下一页返回上一页下一页返回上一页下一页上一页返回返回下一页返回上一页返回返回返回第四章流体输送设备控制本章讨论流体输送设备的控制流体输送设备是一大类常用的设备对它们的控制应根据它们的特性来设计流体输送设备有机泵、风机、压缩机等不同的场合采用不同的控制方案本章重点离心压缩机的防喘振控制后一页第一节第二节前一页第一节泵和压缩机的基本控制

一、离心泵的控制1.离心泵的工作特性2.管路特性3.离心泵的工作4.离心泵的控制二、容积式泵的控制1.容积式泵的工作特性2.容积式泵的控制三、风机的控制1.风机的工作特性2.风机的控制四、压缩机的控制1.往复式压缩机的控制2.离心式压缩机的控制

五、变频调速器的应用第二节前一页后一页下一页关闭上一页关闭下一页关闭上一页关闭关闭关闭关闭第二节离心压缩机的防喘振控制

一、离心压缩机的喘振1.离心压缩机的喘振2.喘振线方程3.振动、喘振和阻塞二、离心压缩机防喘振控制系统的设计1.固定极限流量防喘振控制2.可变极限流量防喘振控制3.测量出口流量的可变极限流量防喘振控制4.离心压缩机串并联时的防喘振控制

☆离心压缩机串联运行时的防喘振控制

☆离心压缩机并联运行时的防喘振控制三、实例分析1.二氧化碳压缩机的防喘振控制2.催化气压缩机的防喘振控制3.空气压缩机的防喘振控制第一节前一页后一页关闭下一页上一页关闭下一页关闭下一页关闭上一页上一页下一页关闭上一页关闭注意事项关闭关闭关闭关闭上一页后一页第一节第二节第五节第三节第四节前一页第一节传热设备的特性传热设备简况研究静态特性的目的一、换热器静态特性的基本方程式1.热量衡算式2.传热速率方程式3.换热器静态特性的基本方程二、换热器的静态放大系数及应用1.冷流体流量到出口温度通道的增益K12.冷流体入口温度到出口温度通道的增益K23.载热体入口温度到出口温度通道的增益K34.载热体流量到出口温度通道的增益K45.控制方案确定和控制阀流量特性的选择

★控制方案的确定

★控制阀流量特性的选择第二节第三节第四节第五节前一页后一页关闭关闭关闭下一页关闭上一页下一页关闭上一页下一页关闭上一页关闭下一页关闭上一页第二节一般传热设备的控制本节讨论以对流传热（包括加热和冷却）为主的传热设备的控制被控变量通常选出口温度，操纵变量通常是载热体（或冷却剂）流量一、调节载热体流量1.载热体不发生相变2.载热体发生相变3.调节载热体流量的控制方案二、调节载热体的汽化温度1.控制目的和控制方案2.特点三、工艺介质分路1.控制目的和控制方案2.特点3.双重控制方案四、调节传热面积1.控制目的和控制方案2.特点第三节第四节第五节前一页后一页第一节关闭关闭关闭关闭

第三节复杂控制系统的应用本节讨论除串级控制外的复杂控制系统在传热设备控制中的应用它们包括前馈控制、热焓控制、热量控制和选择性控制等一、前馈-反馈控制1.静态前馈控制2.前馈-反馈控制3.应用示例二、基于模型计算的控制1.热量控制

★热量衡算式★相变热γ的计算2.热焓控制

★热焓计算公式★热焓控制的控制方案三、选择性控制1.氨冷器的液位和温度的选择性控制2.脱甲烷塔釜液流量和温度的选择性控制第一节第二节第四节第五节前一页后一页关闭关闭关闭关闭关闭关闭第四节蒸发器的控制

蒸发：用加热来提高溶液中溶质浓度，使挥发性溶剂与不挥发性溶质分离