过程控制工程课件

MIMO過程的解耦控制多變量控制系統設計方法單變數控制系統（多回路控制） 方法簡單，當系統關聯不強時，如果配對正確，而且參數整定合適，應用效果良好，較強的魯棒性。解耦控制 方法較複雜，當系統關聯較強時，如果對象模型基本正確，可應用於實際過程，但魯棒性較弱。多變量控制 方法眾多，相對複雜，可適用於各種實際過程，但魯棒性較弱，通常要求建立對象模型。多變量系統中的耦合基本問題：若採用SISO控制器，如何進行輸入輸出變數之間的配對？多回路PID控制相對增益的概念

第一放大係數pij：在其他控制量ur(r≠j)均不變的前提下，uj對yi的開環增益

第二放大係數pij：在利用控制回路使其他被控量yr(r≠i)均不變的前提下，uj對yi的開環增益相對增益的概念（續）

uj至yi通道的相對增益：

相對增益矩陣：相對增益係數的計算方法1輸入輸出穩態方程相對增益係數的計算方法2注：上述計算公式中的“●”為兩矩陣對應元素的相乘！相對增益係數的計算方法2(續)例如：穩態增益：練習：計算λ11，λ33，λ12，λ31?其中detP是矩陣P的行列式；Pij是矩陣P的代數餘子式。相對增益矩陣的歸一性相對增益矩陣中每行或每列的總和均為1；若相對增益矩陣中，某些元素>1，則對應行與列中必然有某些元素<0;λij反映了通道uj與yi之間的穩態增益受其他回路的影響程度.相對增益與耦合程度當通道的相對增益接近於1，例如0.8<λij<1.2，則表明其他通道對該通道的關聯作用很小;當相對增益小於零或接近於零時，說明使用本通道調節器不能得到良好的控制效果。或者說，這個通道的變數選配不適當，應重新選擇。當相對增益在0.3到0.7之間或者大於1.5時，則表明系統中存在著非常嚴重的耦合。需要考慮進行解耦設計或採用多變量控制系統設計方法。變數配對舉例(調和過程)為非線性系統！變數配對舉例（續）1.設定穩態工作點：Q0（u10,u20,y10,y20）2.穩態工作點Q0附近偏差化變數配對舉例（續）3.工作點Q0附近線性化變數配對舉例（續）4.對於穩態工作點Q0計算某一相對增益：變數配對舉例（續）5.利用相對增益的性質計算相對增益矩陣：變數配對舉例（續）6.進行合適的變數配對(假設C1>y20>C2)：變數配對舉例（續）7.分析結論(假設C1>y20>C2)：（1）變數配對：用量大的操作變數控總流量；用量小的操作變數控濃度。（2）若用量大的操作變數占總流量75%以上，則只要用常規多回路就可以；否則，若兩種進料量接近，則需要採用非常規方法，例如解耦設計。調和過程工況舉例1F1=80T/hr，F2=20T/hr，F

=100T/hr；C1=75%， C2=25%，C

=64%。相對增益矩陣為：輸入輸出的正確配對：多回路控制方案#1（F-F1,C-F2）調和過程多回路控制模型#1多回路控制方案#1的閉環回應多回路控制方案#2（C-F1,F-F2）調和過程多回路控制模型#2多回路控制方案#2的閉環回應耦合過程的控制系統設計經合適輸入輸出變數配對後，若關聯不大，則可採用常規的多回路PID控制器；儘管系統穩態關聯嚴重，但主要控制通道動態特性差別較大，仍可通過調整PID參數，使各回路的工作頻率拉開；若系統穩態關聯嚴重，而且動態特性相近，則需要進行解耦設計。解耦控制系統的設計

前饋補償法解耦原理：使y1與uc2無關聯；使y2與uc1無關聯解耦控制系統的設計

前饋補償法（續）解耦控制系統的設計

對角矩陣法解耦控制系統的設計

對角矩陣法（續）解耦控制系統的設計

單位矩陣法解耦控制系統的簡化設計

（穩態解耦法）解耦控制系統的實現

1：初始化問題問題：若u1,u2為“手動”時，如何設定基本控制器Gc1輸出的初始值，以便無擾動地投入“自動”？解耦控制系統的實現

2：約束問題問題：當兩回路均為“自動”時，若u2在運行過程中受到了約束，兩控制器有可能都驅使u1趨向約束。改進的解耦控制方案調和過程的解耦控制舉例調和過程解耦控制系統仿真被控過程：穩態工作點：Q0（u10,u20,y10,y20）調和過程解耦控制仿真（續）模型：相對增益矩陣：問題：如何進行變數配對與解耦控制系統設計？調和過程多回路控制仿真模型#3調和過程多回路控制回應調和過程動態線性解耦方案動態線性解耦閉環回應調和過程線性靜態解耦方案線性靜態解耦系統閉環回應調和過程的部分靜態解耦方案部分靜態解耦系統閉環回應非線性靜態解耦的一般結構+調和過程的非線性靜態解耦++調和過程非線性靜態解耦（續）+調和過程的非線性完全解耦非線性完全解耦控制仿真模型非線性靜態解耦系統閉環回應MIMO耦合系統解耦控制小結應通過關聯分析並選擇合適的輸入輸出配對:1.若關聯不大或主要控制通道動態特性差別較大，則可採用常規的多回路PID控制器；2.若系統穩態關聯嚴重，而且動態特性相近，則需要進行解耦設計。常用的解耦方法： 前饋解耦、靜態解耦、部分解耦、線性或非線性解耦等。練習題巳知過程的開環穩態增益矩陣試推導其相對增益矩陣，並選擇最好的控制回路。分析此過程是否需要解耦。流體輸送設備控制自學思考題對於離心式流體輸送設備（泵、壓縮機），如何實現流量控制？對於容積式泵設備，如何實現流量控制？對於離心式壓縮機，說明喘振現象與產生原因；掌握常用的防喘振方法與相應的控制系統；傳熱設備控制要求1、掌握換熱器出口溫度的控制方案與對象靜態特性；2、瞭解加熱爐的常用控制方案；3、掌握汽包水位的對象特點與控制方案；4、掌握鍋爐設備燃料與空氣邏輯變比值控制系統的分析與設計方法；5、瞭解鍋爐設備過熱蒸汽溫度的控制問題與常用的控制方法。

MIMO系統的約束預測控制內容多變量約束控制問題APC軟體產品介紹預測控制器MDMC_LP

預測模型、設定值操作優化、動態最優控制工業應用

——原油常壓塔溫度分佈控制工業過程對APC的控制要求改善控制系統性能，包括跟蹤特性、抗干擾特性；適應多變量、強關聯、大時滯、不確定時滯等複雜特性；滿足對控制變數、被控變數和中間變數的約束；降低操作成本，追求產量最高、能耗最小等效益指標。商品化預測控制軟體MIMO系統的受約束控制問題

控制變數（MVs）約束：

輸出變數（CVs,AVs）約束：MDMC_LP控制器結構MDMC_LP中的預測模型

動態預測模型：

穩態預測模型：設定值操作優化問題

操作優化目標：

約束條件：其中us(k)、ys(k)分別為u(k)、y(k)的穩態預測值。設定值操作優化問題求解

線性規劃問題：其中動態最優控制問題

目標函數：

控制目標：（1）盡可能地減少被控變數與其設定值之間的偏差；（2）盡可能地減少控制變數的振盪；（3）希望控制變數與其穩態工作點之間的偏差盡可能小以滿足對輔助變數的約束，並實現操作成本的最小化。原油常減壓蒸餾過程原油常壓塔側線溫度控制問題

控制目的：減少各側線產品品質的波動，克服原油處理量與性質變化對常壓塔操作的影響。常壓塔側線溫度與抽出量的關係

其中，各穩態增益的單位為℃/（T/Hr），一階時間常數與純滯後時間的單位均為分.常壓塔APC投用效果投用後常一線抽出塔盤溫度常壓塔APC投用效果（續1）投用後常二線抽出塔盤溫度常壓塔APC投用效果（續2）投用後常三線抽出塔盤溫度常壓塔APC抗干擾性能處理量的變化常一線溫度變化常二線溫度變化常三線溫度變化常壓塔APC系統評價先進控制系統的投用顯著地減少了側線溫度的波動；對原油處理量的改變與原油性質的變化，常壓塔的操作自適應能力提高；先進控制系統投用後，各側線產品的重疊度減少，合格率顯著提高；系統性能與預測模型的精度相關。當操作方案發生大的改變或原油處理量變化過大時，需要重新進行模型測試。比值控制

RatioControl比值控制內容比值控制問題的由來；常用的比值控制方案與系統結構；流量比值與比值器參數的關係；變比值控制系統的特點與應用場合；仿真舉例溶液配製問題問題：當NaoH用量QB變化時，調整稀釋水量QA以使稀釋液NaoH的濃度為6~8%左右。解決方案：（1）出口濃度控制；（2）入口流量的比值控制（流量比值？）。一般的比值控制問題要求：QA

/QB

=KAB（比值係數）而QB為主動流量，QA為可控量，要求設計一控制系統通過調節QA以實現上述比值控制目標。比值控制系統方案1穩態條件:IA=K1IB假設流量測量變送環節為線性對象（對於用孔板測量的信號須經開方運算）。比值控制方案2穩態條件:K2IA=IB比值控制系統方案3穩態條件:K3=IA/

IB存在問題：物料A的流量回路存在非線性，當物料B的流量減少時，回路增益增大，有可能使系統不穩定，並可能出現“除零”運算。比值控制的邏輯提降量功能:(1)正常工況下實現鍋爐蒸汽壓力對燃料流量的串級控制，以及燃料與空氣流量的比值控制(2)提負荷時先提空氣，而降負荷時先降燃料量。分析要點：正常工況時，換熱器出口溫度

變比值串級控制系統系統功能：（1）變比值串級？（2）變增益串級？（3）前饋回饋串級控制？換熱器變比值串級控制仿真(參見模型…/FFControl/ExHeaterRatio_PID.mdl)結論討論了流量比值控制問題；介紹了常用的比值控制方案；分析了流量比值與比值器參數的關係；詳細列舉了燃燒控制中常用的邏輯提降量問題與解決方案；簡單介紹了變比值控制系統的特點與應用場合。練習題右圖表示了NaOH溶液的稀釋過程，輸入溶液濃度為20%，要求進一步用清水稀釋成濃度為5%的溶液。流量F1、F2的測量儀錶均為線性變送器，儀錶量程分別為0~30T/hr和0~120T/hr，並採用DDZ-Ⅲ型，K為比值計算單元。（1）求K值與流量比值的關係式；（2）根據所描述的工藝情況，確定K值；（3）若F1的變化範圍為10~20T/hr，試求取穩態條件下I2與I3的變化範圍（用mA表示）

常用複雜控制系統第一節串級控制系統一、基本原理、結構和性能分析1.基本概念和系統結構2.性能分析

★能迅速克服進入副回路擾動的影響

★改善主控制器Gc2的廣義對象特性，提高工作頻率

★容許副回路內各環節特性在一定範圍內變動不影響整個系統控制品質

★能夠更精確控制操縱變數的流量

★可實現更靈活的操作方式二、串級控制系統設計和工程應用中的問題1.串級控制系統主、副被控變數的選擇2.串級控制系統主、副控制器控制規律的選擇3.串級控制系統主、副控制器正反作用的選擇4.串級控制系統的積分飽和及防止積分飽和的措施5.串級控制系統中副環的非線性6.串級控制系統中控制器的參數整定和系統投運三、串級控制系統的變型1.引入中間輔助變數的串級控制系統2.引入閥門定位器的串級控制系統第二節均勻控制系統一、基本原理和結構1.基本原理2.均勻控制系統的實施方案

★單回路控制系統結構

★串級控制系統結構★双冲量均匀控制系统结构

○被控變數的差作為被控變數

○被控變數的和作為被控變數3.均勻控制系統的特點和示例二、控制器參數整定1.控制器控制規律的選擇2.控制器參數整定3.控制系統分析

★控制系統分析

★液位被控對象近似為積分環節

★液位被控對象近似為一階慣性環節第三節比值控制系統一、基本原理、結構和性能分析1.基本原理2.基本結構3.性能分析二、控制方案分析1.相乘方案的實施2.相除方案的實施三、比值控制系統設計和工程應用中的問題1.主動量和從動量的選擇2.比值控制系統類型的選擇3.比值函數環節的選擇4.檢測變送環節的選擇5.其他問題6.比值控制系統的參數整定和投運四、比值控制系統的變型1.快速跟蹤2.無限可調比的比值控制系統3.均分控制系統公式匯總第四節前饋控制系統一、基本原理、結構和性能分析1.基本原理2.基本結構●单纯前馈控制系统●前馈信号与反馈信号相乘的前馈-回饋控制系統●前馈信号与反馈信号相加的前馈-回饋控制系統3.性能分析二、前饋控制系統設計和工程應用中的問題1.擾動變數的選擇2.前饋控制規律的設計3.前饋-回饋控制系統中流量副回路的引入4.前饋控制通道中非線性環節的處理5.前饋控制規律的實現和偏置值的設置6.前饋控制系統的參數整定和投運7.多變量前饋控制系統8.比例滯後控制第五節分程式控制制系統一、基本原理、結構和性能分析1.基本原理2.基本結構和性能分析

釜式反應器溫度分程式控制制系統分析二、分程式控制制系統設計和工程應用中的問題1.分程式控制制系統中控制閥的洩漏量2.分程式控制制工作範圍的選擇和實現3.分程點廣義對象特性的突變

●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節選擇性控制系統一、基本原理、結構和性能分析1.基本原理2.基本結構和性能分析

●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、選擇性控制系統與其他控制系統的結合1.選擇性控制系統與比值控制系統的結合

●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.選擇性控制系統與分程式控制制系統的結合3.補充燃料的選擇性控制系統三、選擇性控制系統設計和工程應用中的問題1.選擇器類型的選擇2.控制器的選擇3.防積分飽和選擇性控制實驗實驗結果第七節雙重控制系統一、基本原理、結構和性能分析1.基本原理和結構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、雙重控制系統設計和工程應用中的問題1.主、副操縱變數的選擇2.主、副控制器的選擇3.主、副控制器正反作用的選擇4.雙重控制系統的關聯5.雙重控制系統的投運和參數整定第八節基於模型計算的控制系統一、根據模型計算測量值的控制系統1.品質流量的控制2.熱量控制3.內回流控制二、根據模型計算設定值的控制系統1.具有壓力補償的溫度控制2.離心壓縮機的防喘振控制系統3.根據計算指標控制系統應用時的注意事項三、非線性控制1.補償被控對象的非線性

●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.滿足一定控制要求而引入的非線性第二章結束

謝謝！控制系統框圖GC2(s)GF1(s)GF2(S)GM2(s)GM1(s)GP1(s)GP2(s)GV(s)GC1(s)R1E1U2QY2Y1F1F2U1=R2E2YM1YM2串級控制系統的框圖串級控制系統的相關名詞術語主被控變數y1是要保持平穩控制的主要被控變數。副被控變數y2是串級控制系統的輔助被控變數。主控制器、副控制器的傳遞函數Gc1(s)、Gc2(s)。主被控對象、副被控對象傳遞函數Gp1(s)、Gp2(s)。主被控變數的檢測變送環節Gm1(s)、副被控變數的檢測變送環節Gm2(s)。主被控變數的測量值ym1、副被控變數的測量值ym2。F1和F2分別是進入主、副被控對象的擾動。擾動通道傳遞函數分別為Gf1(s)和Gf2(s)。由Gc2(s)、

Gv(s)、Gp2(s)和Gm2(s)組成的控制回路稱為副回路，或副環。由Gc1(s)和副回路、Gp1(s)和Gm1(s)組成的控制回路稱為主回路，或主環。串級控制系統中有關的傳遞函數如下：串級控制系統傳遞函數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串級控制框圖提高系統工作效率下一頁上一頁工作效率和其他參數的關係串級控制框圖示例一示例二示例三示例四示例五防積分飽和串級控制框圖串級控制框圖方案二方案一與單回路液位控制的區別下一頁下一頁下一頁下一頁示例一示例二下一頁下一頁下一頁下一頁計算公式前饋與回饋控制的比較前饋控制框圖下一頁上一頁下一頁上一頁下一頁上一頁下一頁下一頁上一頁上一頁示例二示例一示例二示例一正常：TC→控制閥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異常：e2反向時u2=kc2e2+u1/(Tis+1)<u1此時LC切上u2=kc2e2+u2/(Tis+1)具有PI作用u1=kc1e1+u2/(Tis+1)>u2

滿足同步要求TCLCTY<u1u2控制閥下一頁上一頁下一頁上一頁串級控制系統

單回路PID控制系統小結介紹了簡單被控過程的機理建模方法;討論了控制閥“氣開、氣關”形式與流量特性的選擇問題；講述了“廣義對象”動態特性的典型測試方法；介紹了單回路控制器“正反作用”的選擇原則；詳細分析了單回路PID參數整定方法,介紹了PID控制器的“防積分飽和”技術.習題3-4:機理建模舉例(1)列寫過程微分方程組;(2)畫出方框圖;(3)求傳遞函數習題3-4:列寫狀態方程物料平衡方程:將流量方程代入物料平衡方程,即得到過程狀態方程習題3-4:狀態方程傳遞函數表示由以上傳遞函數方程,可畫出相應的方框圖.習題3-4:過程傳遞函數方框圖習題3-4:計算輸入輸出傳遞函數利用方框圖等效變換;直接用傳遞函數計算公式;通過求解傳遞函數方程組.習題4-9:控制閥流量特性選擇熱平衡方程:控制通道靜態增益:被控對象的動態特性變化

對控制閥流量特性選擇的考慮從靜態增益補償的角度從動態特性變化的角度(Why?)單回路系統防積分飽和原理分析討論：正常情況為標準的PI控制演算法；而當出現超限時，自動切除積分作用。為什麼?本講基本要求瞭解串級控制系統的概念與特點；掌握串級控制系統的方框圖表示法；結合控制原理，掌握串級系統的分析方法；瞭解串級控制系統的設計原則；掌握串級控制系統的參數整定方法;瞭解串級控制系統的抗積分飽和措施。反應釜溫度單回路控制系統控制變數：冷卻劑量被控變數：反應溫度控制閥：氣關閥控制規律：PID單回路控制系統擾動分析問題：從擾動開始至調節器動作，調節滯後較大，特別對於大容量的反應槽，調節滯後更大。冷卻水入口溫度↑→夾套內冷卻水溫度T2↑→（經對流傳熱）槽壁溫度↑→反應槽溫度T1↑→（經回饋回路）冷卻水量↑對調節滯後的解決方法之一 對於冷卻水方面的擾動，如冷卻水的入口溫度、閥前壓力等擾動，夾套冷卻水溫度T2比反應槽溫度T1能更快地感受到。因而可設計夾套水溫單回路控制系統TC2以儘快地克服冷卻水方面的擾動。但TC2的設定值應根據T1的控制要求作相應的變化（這一要求可用反應溫度調節器TC1來自動實現）。“串級控制”反應器溫度的串級控制方案特點：兩個調節器串在一起工作，調節器TC2通過調節冷卻劑量以克服冷卻水方面的擾動；調節器TC1通過調節夾套內水溫的設定值以保證反應溫度維持在工藝所希望的某一給定值。反應器溫度串級控制框圖TC1稱為“主調節器”，TC2稱為“副調節器”。通用的串級控制系統串級控制系統方塊圖注：D1、D2綜合反映了一次擾動、二次擾動對控制系統副參數與主參數的動態影響；主回路是指：副回路閉合狀態下等效的單回路（將副回路看成是一個等效的控制閥）。串級系統副環的等效性串級控制系統的特點（1）副回路（有時稱內環）具有快速調節作用，它能有效地克服二次擾動的影響；由於而對於動態滯後較小的副回路，有串級控制系統的特點（2）對負荷或操作條件的變化具有一定的自適應能力，並能自動地克服副對象增益或調節閥特性的非線性對控制性能的影響。對於內環等效對象的增益當結論：當副回路增益足夠大時，使主回路的特性基本上和副對象、調節閥的增益無關（系統的“魯棒性”強）。串級系統的設計原則副參數的選擇應使副對象的時間常數比主對象的時間常數小，調節通道短，反應靈敏；副回路應包含被控對象所受到的主要干擾；盡可能將帶有非線性或時變特性的環節包含於副回路中。常用的串級控制系統：溫度+流量、溫度+壓力、液位+流量、溫度+溫度等。串級系統副參數的選擇舉例*分析問題：副回路的快速性與副回路所能包括的擾動範圍之間的矛盾。串級方案設計舉例討論：副回路所包含的干擾與副回路快速性之間的矛盾？串級方案設計舉例（續）討論：副回路所能包括的擾動越多，副對象與主對象的動態特性的差別越小，越容易引起內外回路之間的“共振”（系統穩定性越差）。串級系統副調節器選型副調節器常選擇PI控制律

原因：副回路為隨動系統，其設定值變化頻繁，一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服內環中的各種擾動，為加大副回路的調節能力，理想上不用加積分作用。但實際運行中，串級系統有時會斷開主回路，因而，通常需要加入積分作用。但積分作用要求較弱以保證副回路較強的抗干擾能力。串級系統主調節器選型主調節器常選擇PI或PID控制律

原因：主回路的任務是滿足主參數的定值控制要求。因而對於主參數為溫度的串級系統，主調節器必須加入較強的積分作用（除主參數為液位的串級均勻控制系統以外）。當主對象的調節滯後較大，而主參數變化較平緩時，可加入通常大小的微分作用。串級系統PID參數的整定方法Step1:先斷開主回路，按單回路方式整定副調節器的PID參數。Step2:在主調節器為“手動”、副回路閉環的情況下，測試得到主回路廣義對象的動態特性與相應特徵參數。Step3:採用單回路調節參數的工程整定法（如Z-N準則），確定主回路的PID參數。單回路控制系統的抗干擾性能(參見仿真程式…/CascadePID/SinglePidwithLimit.mdl)串級系統的參數整定與抗干擾(參見仿真程式…/CascadePID/CascadePidwithLimit.mdl)結論介紹了串級控制系統的概念與特點；結合控制原理，具體分析了串級系統的抗干擾性能；討論了串級控制系統的設計原則；通過Simulink仿真，詳細介紹了串級控制系統的參數整定過程;練習題1精餾塔提餾段溫度控制系統如圖所示，圖中，Pv為調節閥閥前壓力。（1）為保證再沸器的安全，蒸汽調節閥應選用氣關閥還是氣開閥？為什麼？（2）確定調節器TC、PC的正反作用，並畫出該系統完整的方框圖（盡可能在圖上表明相應的信號）。

對象非線性增益的補償對象增益非線性補償方法調節閥特性補償，以使廣義對象為近似線性；串級控制方式，以克服副回路的非線性；引入比值等中間參數，以主回路廣義對象的增益為近似線性；變增益控制器：通過引入對象增益的反函數以使系統的回路增益為線性；自適應控制器：根據控制系統的性能自動調整控制器的增益，以使系統的回路增益為近似線性。增益非線性補償方法舉例1對象穩態關係：對象增益：補償方法：通過合理選擇調節閥的流量特性，實現廣義對象增益的近似線性。非線性補償方法舉例2補償方法：通過引入串級控制方式，以克服副回路中的非線性，實現主對象增益在一定條件下的的近似線性（本例中，指Fsp

與出口溫度的穩態增益）。非線性補償方法舉例3補償方法：通過引入中間變數（本例中為蒸汽量與工藝物料量的比值），實現主對象增益的近似線性（本例中，指u(t)與T2(t)的穩態增益）。pH中和過程中和反應:中和反應平衡式:pH的定義式:pH中和過程的穩態模型假設先混合後反應,混合後的酸與堿濃度x1,x2分別為中和反應的結果使混合液中的剩餘酸濃度為pH中和過程的非線性中和過程的動態模型參見p.239圖14.3-3pH中和過程的單回路控制中和過程的變比值串級PID控制pH中和過程的非線性控制討論：由於pH中和過程非線性的特殊性，採用直接引入“非線性增益補償”環節的方法可自由地實現控制系統開環增益的線性化。中和過程非線性增益補償原理

鍋爐設備的控制

本章討論鍋爐設備的控制根據系統分析將相互關聯的控制系統分解為較簡單的控制系統主要包括鍋爐給水控制系統燃燒控制系統過熱蒸汽控制系統第一節概述

1.鍋爐設備的主要控制要求★汽包的液位、蒸汽的压力：保持在一定范围内，适应用户负荷的变化★过热蒸汽温度：保持在一定范围内★炉膛负压：保持在一定范围内★燃烧完全：根据经济性和环保的要求★运行安全：液位、炉膛负压、过热度、蒸汽压力等在安全运行范围内2.鍋爐設備的主要控制系統★给水自动控制系统：保持物料的平衡（给水和蒸汽）

被控變數：汽包液位操縱變數：給水量★锅炉燃烧的自动控制系统：满足经济性、安全性和环保要求

被控變數：蒸汽壓力操縱變數：燃料量

被控變數：煙氣含氧量操縱變數：送風量

被控變數：爐膛負壓操縱變數：引風量★过热系统的自动控制系统：满足过热度、壁温等要求被控變數：過熱蒸汽溫度操縱變數：噴水量第二節鍋爐汽包水位控制

★設置鍋爐水位控制的必要性一、鍋爐汽包水位的動態特1.給水流量W對汽包水位H的動態特性2.蒸汽流量D對汽包水位H的動態特性二、鍋爐汽包水位的控制

★擾動分析1.單衝量水位控制系統2.雙衝量水位控制系統★前馈控制器控制规律的确定★双冲量控制系统的变型3.三衝量水位控制系統

★三衝量水位控制系統

★三衝量水位控制系統的簡化方案三、應用示例

第三節蒸汽過熱系統的控制

一、系統分析1.被控變數：過熱器出口溫度2.操縱變數：減溫水流量3.擾動：蒸汽流量、減溫水熱焓、燃燒情況、煙氣溫度及流速等二、控制方案1.簡單控制系統：系統時間常數及時滯大，控制品質差2.串級控制系統：副被控變數：減溫器出口溫度'];

有效克服進入副環干擾，回應快，控制品質改善3.雙衝量控制系統：減溫器出口溫度的微分這是串級控制系統的變型

串級控制系統變型結構圖第四節燃燒控制系統一、燃燒控制的任務二、燃燒過程的控制1.燃燒過程基本控制2.雙交叉燃燒控制三、燃燒過程中煙氣氧含量閉環控制1.鍋爐的熱效率2.煙氣含氧量的閉環控制系統四、爐膛負壓控制及安全控制系統1.爐膛負壓控制系統2.安全聯鎖控制系統五、鍋爐控制的實例1.燃燒過程的控制2.汽包水位的三衝量控制系統第五節火電站鍋爐和發電機組的協調控制一、協調控制概述

二、協調控制1.單元機組動態特性的特點2.直接能量平衡協調控制系統

●以（P1/PT）×Psp为能量平衡信号的DEB協調控制系統

●以P1[1+k（Psp-PT）]為前饋信號的DEB協調控制系統3.單元機組的主控系統4.給水全程控制系統第六章結束關閉控制系統組態圖控制方案系統圖系統圖

系統圖系統圖系統圖

过程动态特性建模与分析

（ProcessCharacteristics）單回路控制系統組成被控對象動態建模方法機理建模

原理：根據過程的工藝機理，寫出各種有關的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流體流動、傳熱、傳質等基本規律的運動方程，由此獲得被控對象的動態數學模型。

特點：概念明確、適用範圍寬，要求對該過程機理明確。測試建模

原理：對過程的輸入（包括控制變數與擾動變數）施加一定形式的激勵信號，如階躍、脈衝信號等，同時記錄相關的輸入輸出數據，再對這些數據進行處理，由此獲得對象的動態模型。

特點：無需深入瞭解過程機理，但適用範圍小，模型準確性有限。對象機理建模舉例#1（p.28）

物料平衡方程：

流體運動方程：討論問題：（1）線性化的意義？如何線性化？（2）如何用Matlab或SimuLink表示該過程？（參見Simulation\ProcessModel\LevelProcess01.mdl）對象機理建模舉例#2

物料平衡方程：

流體運動方程：仿真參見\ProcessModel\LevelProcess02.mdl問題：狀態方程？線性化？機理建模舉例#3：非自衡過程物料平衡方程：氣動調節閥的結構u(t)：控制器輸出(4~20mA或0~10mADC)；pc：調節閥氣動控制信號；l：閥杆相對位置；f：相對流通面積；q：受調節閥影響的管路相對流量。閥門的“氣開”與“氣關”1.氣開閥與氣關閥*氣開閥：pc↑→f↑(“有氣則開”)*氣關閥：pc↑→f↓(“有氣則關”)無氣源(pc=0)時，氣開閥全關，氣關閥全開。2.氣開閥與氣關閥的選擇原則*若無氣源時，希望閥全關，則應選擇氣開閥，如加熱爐瓦斯氣調節閥；若無氣源時，希望閥全開，則應選擇氣關閥，如加熱爐進風蝶閥。調節閥的結構特性調節閥結構特性：閥芯與閥座間的節流面積和閥門開度之間的函數關係。f為相對節流面積；l為相對開度：

線性閥（線1）：等百分比閥或稱對數閥（線2）：調節閥的工作流量特性分析閥阻比S100：調節閥全開時的兩端壓降與系統總壓降之比，即調節閥工作流量特性（續）線性閥的特性變異對數閥的特性變異調節閥流量特性總結

線性閥：在理想情況下，調節閥的放大增益Kv與閥門開度無關；而隨著管路系統閥阻比的減少，當開度到達50~70%時，流量已接近其全開時的數值，即Kv隨著開度的增大而顯著下降。

對數閥：在理想情況下，調節閥的放大增益Kv隨著閥門開度的增大而增加；而隨著管路系統閥阻比的減少，Kv漸近於常數。調節閥流量特性的選擇原則選擇原則：僅當對象特性近似線性而且閥阻比大於0.60

以上（即調節閥兩端的壓差基本不變），才選擇線性閥，如液位控制系統；其他情況大都應選擇對數閥。熱平衡方程：Kp：控制通道增益“廣義對象”的概念“廣義對象”的特點特點：（1）使控制系統的設計與分析簡化；（2）廣義對象的輸入輸出通常可測量，以便於 測試其動態特性；（3）只關心某些特定的輸入輸出變數。“廣義對象”動態特性的

階躍回應測試法*典型自衡工業對象的階躍回應對象的近似模型：對應參數見左圖，而增益為：[ymin,ymax]為CV的測量範圍；[umin,umax]為MV的變化範圍，對於閥位開度通常用0~100%表示。“廣義對象”動態特性的

矩形脈衝回應測試法SISO對象模型構造與動態回應仿真參見\ProcessModel\OpenLoopResp.mdl過程控制廣義對象動態特性分類自衡過程（Self-RegulatingProcesses）

(1)無振盪的自衡過程

(2)有振盪的自衡過程非自衡過程（Non-Self-RegulatingProcesses）

(1)無振盪的非自衡過程

(2)有振盪的非自衡過程

(3)具有反向特性的非自衡過程無振盪自衡過程模型無振盪非自衡過程模型具有反向特性的非自衡過程模型工業過程控制對象的特點除液位對象外的大多數被控對象本身是穩定自衡對象；對象動態特性存在不同程度的純遲延；對象的階躍回應通常為單調曲線，除流量對象外的被調量的變化相對緩慢；被控對象往往具有非線性、不確定性與時變等特性。結論介紹了簡單被控過程的機理建模方法與線性化問題；討論了調節閥“氣開、氣關”形式與流量特性的選擇原則；講述了“廣義對象”的概念及其動態特性的典型測試方法；列舉了工業過程的典型動態特性類型與通道模型。

簡單控制系統第一章簡單控制系統工業生產過程控制研究的基本觀點第一章簡單控制系統

第一節控制系統組成和控制性能指標一、控制系統的組成1、簡單控制系統示例2、控制系統的框圖3、控制系統的有關術語4、控制系統框圖的幾點說明

二、控制系統的控制性能指標1、時域控制性能指標2、積分性能指標3、控制系統正常運行的重要準則第二節過程動態特性和建立過程的動態模型

一、過程動態特性1、典型過程動態特性自衡的非振盪過程無自衡的非振盪過程自衡的振盪過程具有反向特性的過程2、過程特性對控制性能指標的影響增益的影響時間常數的影響時滯的影響擾動進入系統位置的影響時間常數匹配的影響被控變數與操作變數的選擇二、過程動態模型的建立1、對過程模型的要求2、過程模型建立的方法機理建模示例系統辨識方法

機理建摸方法

混合方法第三節檢測變送環節

一、檢測變送環節的性能1.檢測元件和變送器的作用：2.對檢測變送單元的基本要求：3.選用時的基本考慮：4.動態特性○對Tm的基本考慮：

減小Tm的途徑：○對τm的考慮：

τm=l/w減小τm的途徑：二、對檢測變送信號的處理1.濾波及信號處理的目的：2.濾波的方法：模擬濾波：數字濾波：3.數字濾波的演算法：4.信號處理：第四節執行器環節一、執行器概述1.執行器的類型2.執行機構的分析3.調節機構的分析二、流量特性1.線性流量特性2.等百分比流量特性3.拋物線流量特性4.快開流量特性三、控制閥特性的選擇1.從靜態考慮選擇控制閥的工作特性2.從動態考慮選擇控制閥的工作特性3.從控制閥的工作特性選擇控制閥的理想特性4.控制閥氣開、氣關形式的選擇;5.壓降比S的考慮四、閥門定位器的正確使用五、其他執行器第五節控制器的模擬控制演算法一、基本控制演算法分析二、比例控制演算法1.比例控制演算法2.比例增益對控制系統的影響三、比例積分控制演算法1.比例積分控制演算法2.對PI控制作用的分析3.PI控制作用對系統過渡過程的影響四、積分飽和及其防止1.積分飽和2.積分飽和的防止五、比例微分控制演算法1.比例微分控制演算法2.使用注意事項六、比例積分微分控制演算法1.比例積分微分控制演算法2.PID控制作用對過渡過程的影響第六節控制器的數字控制演算法一、模擬控制演算法的數位化1.位置演算法2.增量演算法3.速度演算法二、數字控制演算法的改進1.數字控制演算法的特點2.數字控制演算法的改進

★對積分控制演算法的改進★對微分控制演算法的改進3.實現數字控制演算法時應注意的問題三、連續系統的離散化1.差分近似2.輸入只在採樣時刻作變化情況下的精確方法3.s域到z域的對應變換4.插入保持器後s域到z域的對應變換5.時間離散系統到時間連續系統的變換第七節控制器參數整定和控制系統投運一、控制器參數整定的若干原則對已存在的控制系統，調整控制器參數使系統達到滿意的控制品質二、控制器參數整定1.控制器參數的經驗整定法2.控制器參數的半經驗整定法★衰減曲線法★臨界比例度法★控制度法3.控制器參數整定的反應曲線法★Ziegler&Nichols法★Lopez法★Cohen-Coon法4.理論計算法5.控制器正反作用的設置三、控制系統的投運和維護第八節與PID控制密切相關的幾類控制演算法一、二維PID控制演算法1.PID-PD控制演算法2.設定濾波的兩維PID控制演算法二、時間比例控制系統1.開關控制2.時間比例控制三、差拍控制系統1.差拍控制系統的基本原理2.差拍控制系統的特點3.Dahlin控制演算法★Dahlin控制演算法★改進Dahlin控制演算法4.V.E.控制演算法5.卡爾曼控制演算法差拍控制演算法總匯第一節控制系統組成一、控制系統的組成液位控制系統示例當系統受到外界擾動的影響時為使被控變數（液位）與設定值保持一致檢測被控變數，並與設定值比較得到偏差按一定控制規律對偏差運算輸出信號驅動操縱變數（流量）最終使被控變數回復到設定值變送器檢測液位控制器對偏差運算執行器改變操縱變數

一、控制系統的組成壓力控制系統的示例當系統受到外界擾動的影響時為使被控變數（壓力）與設定值保持一致檢測被控變數，並與設定值比較得到偏差按一定控制規律對偏差運算輸出信號驅動操縱變數（流量）最終使被控變數回復到設定值變送器檢測壓力控制器對偏差運算執行器改變操縱變數

第一節控制系統組成一、控制系統的組成溫度控制系統示例當系統受到外界擾動的影響時為使被控變數（溫度）與設定值保持一致檢測被控變數，並與設定值比較得到偏差按一定控制規律對偏差運算輸出信號驅動操縱變數（流量）最終使被控變數回復到設定值變送器檢測溫度控制器對偏差運算執行器改變操縱變數

返回TTTCθ蒸汽設定值FTFC設定值LTLC設定值(a)溫度控制系統(b)壓力控制系統(c)液位控制系統圖1-1簡單控制系統示例PTPC設定值(d)流量控制系統返回第一節控制系統組成

一、控制系統的組成

控制系統的框圖

控制系統由被控對象、檢測變送、控制器和執行器等組成傳遞函數隨動控制系統（Fixedsetpointcontrolsystem）傳遞函數：定值控制系統（Follow-upcontrolsystem）傳遞函數：返回控制系統組成請點擊被控對象請點擊變送器請點擊電腦請點擊檢測元件請點擊控制器請點擊執行器請點擊返回被控對象變送器電腦檢測元件控制器執行器一、控制系統的組成

控制系統框圖的幾點說明返回說明幾點：簡單控制系統有兩個通道：控制通道和擾動通道。框圖中的各個信號都是增量。圖中的箭頭表示信號的流向，並非物流或能流的方向。各環節的增益有正、有負。當該環節的輸入增加時，其輸出增加，則該環節的增益為正，反之，如果輸出減小則增益為負。返回對象的增益有正、有負例如：加熱系統的增益為正、冷卻系統的增益為負；氣開閥的增益為正、氣關閥的增益為負；正作用控制器的增益為負，反作用控制器的增益為正；檢測變送器的增益一般為正。通過調整控制器的正反作用來保證系統為負回饋。加熱系統對象放大倍數為正採用氣開閥放大倍數為正檢測變送器放大倍數為正控制器應選放大倍數為正即反作用冷卻系統對象放大倍數為負採用氣開閥放大倍數為正檢測變送器放大倍數為正控制器應選放大倍數為負即正作用通常將執行器、被控對象和檢測變送環節合併為廣義對象，廣義對象傳遞函數用Go(s)表示。控制系統中如果包含採樣開關，則這類控制系統稱為採樣控制系統（Samplingcontrolsystem）。返回第一節控制系統組成

二、控制系統的控制性能指標

時域控制性能指標返回1.衰減比n：衰減比（Subsidenceratio）是控制系統的穩定性指標。它是相鄰同方向兩個波峰的幅值之比。即：n<1擴散振盪即不穩定n=1等幅振盪n.>1衰減振盪n無窮大為非週期過程衰減率ψ也用於表示控制系統的穩定性。它是每經過一個週期後，波動幅度衰減的百分數，即：

2．超調量和最大動態偏差：隨動控制系統中，超調量（Overshoot）σ定義為：

定值控制系統採用最大動態偏差A表示超調程度。即：3．餘差：它是控制系統的最終穩態偏差e(∞)。在階躍輸入作用下，餘差（Steady-stateerror）為：定值控制系統中，r=0，因此有：e(∞)=-C。餘差是控制系統穩態準確性指標。4．回復時間和振盪頻率：被控變數從過渡過程開始到進入穩態值±5%或±2%範圍內的時間作為過渡過程的回復時間Ts（Settlingtime）。回復時間是控制系統的快速性指標。振盪頻率ω與振盪週期T的關係是

在相同衰減比n下，振盪頻率越高，回復時間越短；在相同振盪頻率下，衰減比越大，回復時間越短。5．偏離度：控制系統偏離度是被控變數統計特性的描述。在相同干擾作用下，定值控制系統輸出的最大偏差越大，系統的偏離度越大；在相同的衰減比下，系統輸出的週期越大，系統的偏離度越大。返回綜合性控制指標（積分鑒定指標）返回控制系統運行的重要準則返回第二節過程特性及動態模型建立

一、過程特性類型過程特性類型參數估計曲線擬合返回過程特性1：自衡非振盪過程下一頁上一頁返回過程特性2：無自衡非振盪過程

下一頁

上一頁

返回過程特性3：有自衡振盪過程

下一頁

上一頁

返回過程特性4：具有反向特性的過程

上一頁

返回增益的影響返回時間常數的影響

返回時間常數匹配的影響

返回擾動進入系統位置的影響返回時滯的影響：

控制通道時滯的影響：當檢測變送環節存在時滯時，被控變數的變化不能及時傳送到控制器；當被控對象存在時滯時，控制作用不能及時使被控變數變化；當執行器存在時滯時，控制器的信號不能及時引起操縱變數的變化。因此，開環傳遞函數存在時滯，使控制不及時，超調增大，並引起系統不穩定。用τo/To反映時滯的相對影響。通常，τo/To≤0.3時，系統尚可用簡單控制系統進行控制，當τo/To>0.3時，應採用其他控制方案對該類過程進行控制。因此，在設計和應用時應儘量減小時滯，有時可增大時間常數以減小τo/To。擾動通道時滯的影響：時滯τf的存在不影響系統閉環極點的分佈，因此，不影響系統穩定性。它僅表示擾動進入系統的時間先後，即不影響控制系統控制品質。被控變數和操縱變數的選擇深入瞭解工藝過程，選擇能夠反映工藝過程的被控變數；儘量選用易於測量且關係簡單的直接品質指標作為被控變數；操縱變數的選擇原則：選擇對被控變數影響較大的操縱變數，即Ko儘量大；選擇對被控變數有較快回應的操縱變數，即過程的τo/To應儘量小；過程的To/Tf

應儘量小；使過程的KfF儘量小；工藝的合理性與動態回應的快速性應有機結合。過程動態模型的建立

對過程模型的要求對過程模型的要求是正確、可靠和簡單。過程動態模型可分為三類；黑箱模型、白箱模型和灰箱模型。過程模型建立的方法有：系統辯識方法-經驗建模方法；機理建模方法：混合方法。返回系統辯識方法：根據過程輸入輸出數據確定過程模型的結構和參數的建模方法稱為系統辯識方法，建立的模型稱為黑箱模型。過程辨識的方法很多，依據輸入變數的變化情況（即所施加外作用的形式），目前大致可分為非週期函數，週期函數，非週期性隨機函數及週期性函數等四類。階躍回應法脈衝回應法

需要驗前知識少，但建立的模型不具有放大功能，即不能類推到不同型號的放大設備或過程中。(1).階躍回應法

階躍回應法非常簡單，只要有遙控閥和被控變數紀錄儀錶就可以進行。先使工況保持平穩一段時間，然後使閥門作階躍式的變化（通常在10％以內），在此同時把被控變數的變化過程記錄下來，得到廣義對象的階躍回應曲線。把對象作為具有時滯的一階對象來處理：

式中K0—對象放大係數；T0—對象時間常數；τ—對象時滯。各參數求法如下：

τ=時間軸原點至通過拐點切線與時間軸交點的時間間隔T0=被控變數y完成全部變化量的63.2％所需時間-τ。

另外一種確定τ和T0的方法，是把達到39％和63％回應的時間讀出來，分別用t0.39和t0.63來表示，按下式計算

T0=2（t0.63-t0.39）

τ=2t0.39-t0.63

(2)脈衝回應法輸入是⊿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)

上式表示了回應曲線關係式，在0～⊿t时间内，h1(t)等於脈衝回應即h1(t)=⊿y(t)，而后h1(t)等於當時的脈衝回應⊿y(t)加⊿t时间以前的阶跃响应h1(t-⊿t)，隨著時間推移就可得到完整階躍回應曲線。得階躍回應曲線後，可以通過前述有關方法求取過程的數學模型。返回機理建模方法：

根據過程的內在機理，應用物料平衡、能量平衡和有關的化學、物理規律建立過程模型的方法是機理建模方法，又稱為過程動態學方法。建立的模型稱為白箱模型。

建立機理模型的方法是：列寫基本方程：物料平衡和能量平衡方程等；消去中間變數，建立狀態變數x、控制變數u和輸出變數y的關係；增量化：在工作點處對方程進行增量化，獲得增量方程；線性化：在工作點處進行線性化處理，簡化過程特性；列寫狀態和輸出方程。機理模型的優點是：

（1）可以充分利用已知的過程知識，從事物的本質上去認識外部特性（2）可以驗前得出，在流程和設備的設計階段即能求取；（3）有較大的適用範圍，操作條件變化是可以類推。但也有兩個弱點：（1）

對於複雜的過程，人們對基本方程的某些參數不完全掌握，例如，換熱器的K值，由傳熱學書籍提供的公式可能有±10～30％的誤差。又如，象精餾塔的塔板效率、塔板流體中的汽液比值等參數，很難預先精確估計；（2）如不經過輸入輸出數據的驗證，則近乎紙上談兵，難以判斷其正確性。下一頁返回上一頁返回混合方法：把兩種途徑結合，可兼采兩者之長，補各自之短。介於上述兩種方法之間的建模方法，稱為混合方法。所得模型稱為灰箱模型。返回一、測量性能返回二、動態特性返回三、濾波和信號處理返回1、執行器的類型控制框圖返回執行器的傳遞函數描述返回2、執行機構的分析死區的影響返回返回3、調解機構的分析返回控制閥流量特性返回特性曲線等百分比流量特性第一頁下一頁返回第二頁下一頁返回上一頁第三頁下一頁上一頁返回第四頁下一頁上一頁返回第五頁下一頁上一頁返回第六頁下一頁上一頁返回第七頁下一頁上一頁返回等百分比流量特性特性曲線返回快開流量特性返回特性曲線拋物線流量特性特性曲線返回隨動控制系統：設定值R變化返回定值控制系統：負荷變化返回定值控制系統：閥前後的壓力變化返回從動態性能考慮控制閥的工作特性返回根據壓降比S選擇控制閥的理想特性返回根據被控變數選擇控制閥的理想特性返回換熱器定值控制系統中控制閥的選擇返回選擇控制法特性時的注意事項返回控制閥氣開、氣關形式的選擇

返回壓降比S的考慮

返回閥門定位器的工作原理返回閥門定位器的功能返回其他執行器返回基本控制演算法分析返回P作用控制演算法返回比例度返回控制器的正反作用返回方框圖和傳遞函數返回控制器增益對控制品質的影響返回控制器增益Kc對最大偏差的影響最大偏差---對於二階衰減振盪可見，隨著過程增益Kc的增加，最大偏差減小，但穩定性變差。液位控制的餘差返回隨動控制系統—單比例餘差對於二階衰減振盪隨著增大Kc，餘差減小，而超調量增大。超調量隨動控制系統返回定值控制系統返回幅頻特性分析返回開環不穩定對象的示例返回比例積分控制演算法返回對PI控制作用的分析返回對穩定性的影響返回控制器積分時間變化時的輸出曲線返回定值控制系統控制器積分時間變化時的輸出曲線隨動控制系統返回積分飽和返回示例安全放空系統返回積分飽和的防止積分外回饋PI控制規則的實現返回積分外回饋返回比例微分控制演算法返回比例微分控制演算法使用注意事項返回比例積分微分控制演算法返回PID控制作用對過渡過程的影響返回位置演算法返回增量演算法返回速度演算法返回離散PID演算法特點返回採樣週期的考慮影響控制度因素採樣週期對控制品質的影響返回香農定理返回採樣週期的選擇返回影響控制度因素返回對積分作用的改進之一返回對積分作用的改進之二返回對積分作用的改進之三返回微分先行不完全微分輸入濾波實現數字控制演算法時應注意的問題（輸入）

返回數字濾波DDC系統框圖對檢測變送信號的處理（局部放大）返回DDC系統原理框圖返回實現數字控制演算法時應注意的問題（信號量化和線性化）返回示例信號量化示例返回實現數字控制演算法時應注意的問題（輸出）返回應注意的問題返回PID控制作用比例作用P是基本控制作用，輸出與輸入無相位差。Kc越大控制作用越強，隨著Kc的增加(比例度δ減小)

，餘差下降，最大偏差減小，但穩定性變差。比例作用P引入積分作用I後，可以消除餘差。但是幅值增加，相位滯後，使穩定性裕度下降，為保持同樣穩定性裕度，Kc應減少10-20%(比例度δ應增加10-20%)。積分時間Ti越短，積分作用越強，Ti趨向無窮大時無積分作用。應防積分飽和。PID控制作用比例作用P引入適當微分作用D後，幅值增加，相位超前，使穩定性裕度提高，為保持同樣穩定性裕度，Kc應增加10-20%(

比例度δ應減少10-20%)。微分作用D可以克服容滯後，但對時滯毫無作用。微分時間Td越大，微分作用越強，Td=0無微分作用。控制器參數整定的若干原則返回控制器參數整定的若干原則返回控制器參數整定的若干原則返回控制器參數整定的若干原則返回控制器參數整定的若干原則返回控制器參數的經驗整定法

返回控制器參數經驗數據流量：對象時間常數小，參數有波動，δ要大40―100%；Ti要短0.3―1min；不用微分。溫度：對象容量滯後較大，即參數受干擾後變化遲緩，

δ應小20―60%；Ti要長3―10min；一般需加微分Td=0.5­―3min壓力：對象的容量滯後不算大，一般不加微分

δ=30―70%Ti=0.4―3min液位：對象時間常數範圍較大，要求不高時，δ可在一定範圍內選取，一般不用微分，δ=20―80%

控制器參數的經驗整定法返回控制器參數的半經驗整定法返回臨界比例度法返回控制度法返回Ziegler&Nichols法

返回Lopez法返回Cohen-Coon法返回根軌跡法返回根軌跡法返回控制器正反作用的設置

返回氣開閥例一蒸汽氣開閥例二氣關閥例三自整定調節器繼電型自整定-山武霍尼韋爾公司TDC3000-SCCGo(s)dhRY

繼電型自整定方法簡單、可靠，需要預先設定的參數就是h和d繼電特性的參數

該方法的缺點是，被控對象須能在開關信號作用下產生等幅振盪，從而限制了其使用範圍。

橫河北辰公司-YEWSERIES-80自整定PID控制器FOXBORO-EXACT自整定PID控制器控制系統的投運和維護返回擾動進入系統位置的影響返回時間常數匹配的影響

返回增益的影響返回時間常數的影響

返回時滯的影響：

控制通道時滯的影響：當檢測變送環節存在時滯時，被控變數的變化不能及時傳送到控制器；當被控對象存在時滯時，控制作用不能及時使被控變數變化；當執行器存在時滯時，控制器的信號不能及時引起操縱變數的變化。因此，開環傳遞函數存在時滯，使控制不及時，超調增大，並引起系統不穩定。用τo/To反映時滯的相對影響。通常，τo/To≤0.3時，系統尚可用簡單控制系統進行控制，當τo/To>0.3時，應採用其他控制方案對該類過程進行控制。因此，在設計和應用時應儘量減小時滯，有時可增大時間常數以減小τo/To。返回擾動通道時滯的影響：時滯τf的存在不影響系統閉環極點的分佈，因此，不影響系統穩定性。它僅表示擾動進入系統的時間先後，即不影響控制系統控制品質。返回被控變數和操縱變數的選擇深入瞭解工藝過程，選擇能夠反映工藝過程的被控變數；儘量選用易於測量且關係簡單的直接品質指標作為被控變數；操縱變數的選擇原則：選擇對被控變數影響較大的操縱變數，即Ko儘量大；選擇對被控變數有較快回應的操縱變數，即過程的τo/To應儘量小；過程的To/Tf應儘量小；使過程的KfF儘量小；工藝的合理性與動態回應的快速性應有機結合。返回控制回路的診斷

與PID參數的整定

基本調節回路的診斷將控制器置於“手動”方式，人為改變控制器的輸出信號（遙控），檢測現場調節閥閥杆是否上下移動；如果閥杆上下移動自如，檢查相關流量/壓力等測量信號是否隨之變化。若變化很小，則檢查測量信號是否正常，或者調節閥上游閥和下游閥是否全開，或者旁路閥是否關閉；如果調節閥靈活，而且相關被控信號可隨之變化。則可進入單回路PID控制器的參數整定.常見的現場執行機構控制器輸出回應測試（1）手動改變控制器的輸出信號u(k)，觀察被控變數y(k)的變化過程。（2）由階躍回應曲線得到對象基本特徵參數

。對象特徵參數的獲得Kp(穩態增益)：Ts(開環過渡過程時間)：其中umax、umin與ymax、ymin為輸入輸出的量程上下限；若巳歸一化，則umax－umin=1,ymax－ymin=1。PID參數的整定原則PID參數初始值的選擇：

Kc=1/Kp；Ti=Ts/2；Td=0

將上述PID控制器投入“Auto”（自動）方式，並適當改變控制回路的設定值，觀察控制系統跟蹤性能。若回應過慢，而且無超調存在，則適當加大KC值，例如增大到原來的兩倍；反之，則減小KC值。串級系統的PID參數整定按照上述原則整定好PID2；為提高系統的穩定性，內回路以無明顯超調為宜。以內回路的設定值ysp2作為操作變數u(k)，以外回路輸出y1(k)為被控變數，進行回應試驗。由此獲得廣義對象的特徵參數Kp與Ts。再按上述原則以確定PID1的參數。

前馈控制系统

FeedforwardControl內容前饋控制的原理非線性靜態前饋控制的設計方法前饋控制系統的動態補償前饋回饋控制系統仿真舉例前饋控制的概念D1，……，Dn為可測擾動；u，y分別為被控對象的操作變數與受控變數。前饋思想：在擾動還未影響輸出以前，直接改變操作變數，以使輸出不受或少受外部擾動的影響。前饋控制方塊圖u

(t)、y

(t)分別表示控制變數與被控變數；

d(t)

表示某一外部干擾;GYD(s)、GYC(s)分別為干擾通道與控制通道的動態特性；

GFF(s)為前饋控制器的動態特性。控制目標：前饋不變性原理動態不變性：在擾動d(t)的作用下，被控量y(t)在整個過渡過程中始終保持不變，稱系統對於擾動d(t)具有動態不變性，即Y(s)/D(s)=0,（調節過程的動態和穩態偏差均為零，”理想情況“）。穩態不變性：在干擾d(t)作用下，被控量y(t)的動態偏差不等於零，而其穩態偏差為零，即Y(0)/D(0)=0，或者說y(t)在穩態工況下與擾動量d(t)無關。靜態前饋控制控制目標：保證過程輸出在穩態下補償外部擾動的影響，即實現“穩態不變性”。靜態前饋控制方式：線性靜態前饋：非線性靜態前饋：結合對象靜態模型獲得前饋控制器結構與參數。非線性靜態前饋控制穩態平衡關係：討論:前饋控制器的實現與相關測量儀錶的影響前饋控制演算法假設T1、T2的測量範圍為[T1min,T1max]、[T2min,T2max],RV、RF的測量範圍為[0,RVmax]、[0,RFmax]；而各測量信號T1m、T2m

、RVm、RFm及設定值均為0~100%.換熱器動態仿真模型(參見模型…/FFControl/ExHeater.mdl)靜態工作點:T1=20℃,RF=10T/hr,RV=2T/hr,Kv=800,T2=180℃.T2儀錶量程為100~300℃,RV儀錶量程為0~5T/hr.干擾通道純滯後可忽略,控制通道純滯後為2.5min.換熱器的靜態前饋控制器假設靜態工作點為:T1=20℃,RF=10T/hr,RV=2T/hr,Kv=800,T2=180℃.T2的測量儀錶量程為100~300℃,RV儀錶量程為0~5T/hr，T1量程為0~50