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《过程控制工程》绪论

“ProcessControlEngineering”教学要求了解控制系统的设计目的，掌握控制系统方块图描述法掌握过程对象的建模方法掌握PID类常规控制策略，能够结合具体的工业过程设计合理的控制方案掌握控制系统的分析方法了解先进控制算法，掌握其设计思想、概念、特点及适用场合课程考核与参考资料考核：平时成绩50%，包括出勤、平时练习、综合练习等；期末考试（闭卷）50%主要参考资料：

1、王树青等编著，工业过程控制工程.北京：化学工业出版社，2002.12

2、金以慧主编，过程控制.北京：清华大学出版社，1993.04答疑：周一下午2:30-5:00;地点：工控所老楼403（助教：覃旭松）本章要求了解控制系统的设计目的结合具体对象，掌握单回路控制系统的方块图描述法，并掌握方块图中线与方框图的物理意义掌握过程控制中的常用术语（中英文）了解控制系统的主要分类与设计过程能够结合具体对象，了解控制系统的组成控制系统的由来传感测量器：液位计+人眼控制器：大脑执行机构：手+手动阀差压传感变送器电动调节器自动调节阀液位控制系统的组成与方块图问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？热交换器的温度控制系统热交换器温度控制系统方块图一般的单回路控制系统被控变量：温度、压力、流量、液位或料位、成分与物性等六大参数；过程控制系统的重要术语被控变量/受控变量/过程变量

（ControlledVariable-CV,ProcessVariable-PV）设定值/给定值

(Setpoint-SP,SetpointValue-SV)操纵变量/操作变量(ManipulatedVariable,MV)扰动/扰动变量

(DisturbanceVariable,DV)对控制器而言，测量/测量信号(Measurement)，控制/控制信号/控制变量（ControlVariable）控制系统的目标过程控制系统的目标： 在扰动存在的情况下，通过调节操纵变量使被控变量保持在其设定值。应用过程控制系统的主要原因：

（1）安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保护或减少生产过程对环境的影响； （2）稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各种外部干扰； （3）经济性：实现效益最大化或成本最小化。控制系统的分类定值控制（RegulatoryControl,“调节控制”）与伺服控制（ServoControl,“跟踪控制”） 对照举例：连续过程与间歇过程（BatchProcesses）或飞行控制。前馈控制（FeedforwardControl）与反馈控制（FeedbackControl）

对照举例：热交换器的出口温度控制。前馈与反馈控制系统举例控制系统的分类（续）开关量控制（SwitchControl）与连续量控制（ContinuousControl） 举例：空调器的控制连续时间控制（Continuous-TimeControl）与离散时间控制（Discrete-TimeControl,也称“采样控制”/“数字控制”）

举例：计算机控制系统多变量控制与单变量多回路控制线性控制与非线性控制等控制系统的设计与实施确定控制目标：依据生产过程安全性、经济性与稳定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标；选择被控变量：选择与控制目标直接或间接相关的可测量参数作为控制系统的被控变量；选择操作变量：从所有可操作变量中选择合适的操作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快；确定控制方案：当被控变量与操作变量多于1个时，既可以直接用MIMO（多输入多输出）控制方案；也可以将系统分解成几个SISO（单输入单输出）子系统再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。控制系统的设计与实施（续）调节阀的选择：根据被控变量与操作变量的工艺条件及对象特性，选择合适大小与流量特性的调节阀；控制算法的选择：依据控制方案选择合适的控制算法。通常对于SISO系统，PID控制算法能满足大部分情况；而对于MIMO系统，可采用的控制算法很多，但一般都需要对象模型，仅适用于计算机控制系统。控制系统的调试和投用：控制系统安装完毕后，按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况(包括控制器参数的在线整定)，依次将其投入运行。举例：精馏塔控制系统控制目标CV、MV选择控制系统调试与投用控制方案控制算法常用控制算法PID类（包括：单回路PID、串级、前馈、均匀、比值、分程、选择或超驰控制等）， 特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对象的动态模型、结构简单、在线调整方便。APC类（先进控制方法，包括：解耦控制、内模控制、预测控制、自适应控制等）， 特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。过程控制与其它相关学科习题p.18,习题2-4PID反馈控制器

(PIDFeedbackControllers)2004/02/25上一讲内容回顾了解典型工业过程的动态特性类型；掌握简单被控过程的机理建模方法；掌握调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则；掌握“广义对象”概念及其动态特性的典型测试方法。习题2-4讨论对于如图所示的加热炉温度控制系统，试(1)指出该系统中的被控变量、操纵变量、扰动变量与控制目标;(2)画出该系统的方块图；(3)选择控制阀的“气开-气关”形式;(4)指出该控制系统的“广义对象”及物理意义。温度控制系统方块图1特点：各环节均用实际仪表、设备或装置来表示，被控对象用受控设备来表示，不反映操纵变量、干扰对被控变量的影响关系。温度控制系统方块图2特点：采用传递函数与环节名称混合表示，对象用被控过程的动态特性来表示。温度控制系统方块图3特点：对象用被控过程的动态特性来表示，其中除控制通道外，所有干扰对被控变量的影响只用一个输出扰动来近似。当然，各环节可以只用传递函数来表示。广义对象的阶跃响应测试“广义对象”的输入：u，输出为Tm。若机理建模有难度，就可采用常用的响应测试法.对象特性的阶跃响应测试假设温度测量变送器的量程为200~400℃,对象特性可用以下一阶+纯滞后来表示,试确定其Kp,Tp,τ。对象特性参数的确定假设温度测量变送器的量程为200~400℃。本讲基本要求掌握仿真系统SimuLink的使用方法;掌握单回路控制器“正反作用”的选择原则；掌握单回路控制系统的常用性能指标；掌握PID控制律的意义及与控制性能的关系。仿真系统SimuLink的使用入门假设控制输入u(t)与干扰输入d(t)均为阶跃信号，要求显示输入对被控变量y(t)及其测量z(t)的动态响应。仿真系统SimuLink的使用技巧熟悉与掌握系统所提供的SimuLink常用模块，如输入信号、输出显示、传递函数模块、常用数学函数等；掌握SimuLink运行数据与Matlab数据平台的联结，以及Matlab常用的作图方法；掌握子系统的封装技术（包括外观设计、参数设置、注释等）；掌握自定义模块的运行机制、设计方法与封装技术。控制器的“正反作用”选择问题问题：如何构成一个负反馈控制系统？控制器的“正反作用”选择定义：当被控变量的测量值增大时，控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。选择要点：使控制回路成为“负反馈”系统。选择方法为：（1）假设检验法，先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统；（2）回路判别法，先画出控制系统的方块图，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。控制器的作用方向选择：

假设检验法根据控制阀的“气开气关”的选择原则，该阀应选“气开阀”，即：u↑→Rf↑.(Why?)假设温度控制器为正作用，即：Tm↑→u↑；则结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.控制器的作用方向选择：

回路判别法回路判别法的要点：（1）反馈回路中负增益环节（包括比较器）数为奇数；（2）对控制器而言，“正作用”是指Tm↑→u↑。控制系统的性能评价仿真程序见../Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl讨论：如何评价或比较不同控制系统的性能？控制系统常用的性能指标稳态余差：衰减比：振荡周期T，调节时间ts.上升时间tr,峰值时间tp.纯比例控制器控制器增益Kc或比例度δ对系统性能的影响：增益Kc

的增大（或比例度δ下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降（当系统稳定时，调节频率提高、最大偏差下降）；仿真结果参见../Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl比例增益对控制性能的影响比例积分控制器积分时间Ti对系统性能的影响

引入积分作用的根本目的是为了消除稳态余差，但使控制系统的稳定性下降。当积分作用过强时（即Ti过小），可能使控制系统不稳定。仿真结果参见../Simulation/PIDControl/PILoop.mdl积分作用对控制性能的影响理想的比例积分微分控制器微分时间Td对系统性能的影响 微分作用的增强（即Td增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但高频噪声起放大作用。对于测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作用主要适合于特性一阶滞后较大的广义对象，如温度、成份等。微分作用对控制性能的影响问题：控制作用的变化过大，对噪声敏感，如何克服？实际的比例积分微分控制器其中Ad

为微分增益SimuLink结构:PID控制系统仿真举例仿真结果参见../Simulation/PIDControl/PIDLoop.mdl结论讨论仿真系统SimuLink的使用方法;介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则；描述了单回路系统的常用性能指标；通过仿真讨论了PID控制律的意义及与控制性能的关系。思考题对于一般的自衡过程，分析采用纯比例控制器存在稳态余差的原因；引入积分作用可消除稳态余差的原因分析，以及为什么引入积分作用会降低闭环控制系统的稳定性？引入微分作用可提高控制系统的稳定性，但为什么实际工业过程中应用并不多？如何确定PID参数？过程动态特性建模与分析

（ProcessCharacteristics）2004/02/15上一讲内容回顾控制系统的设计目的单回路控制系统的组成、方块图描述法及方块图中线与方框图的物理意义过程控制中的常用术语（中英文）控制系统的主要分类与设计过程复习题对于如图所示的压力控制系统，假设贮罐温度不变，主要干扰为P1、P2。试指出该系统中的被控变量、操纵变量、扰动变量与被控对象，并画出该系统的方块图。本讲基本要求了解典型工业过程的动态特性类型；掌握简单被控过程的机理建模方法；掌握调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则；掌握“广义对象”概念及其动态特性的典型测试方法。单回路控制系统组成被控对象动态建模方法机理建模

原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。

特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。测试建模

原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。

特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。对象机理建模举例#1（p.28）

物料平衡方程：

流体运动方程：讨论问题：（1）线性化的意义？如何线性化？（2）如何用Matlab或SimuLink表示该过程？（参见Simulation\ProcessModel\LevelProcess01.mdl）对象机理建模举例#2

物料平衡方程：

流体运动方程：仿真参见\ProcessModel\LevelProcess02.mdl问题：状态方程？线性化？机理建模举例#3：非自衡过程物料平衡方程：气动调节阀的结构u(t)：控制器输出(4~20mA或0~10mADC)；pc：调节阀气动控制信号；l：阀杆相对位置；f：相对流通面积；q：受调节阀影响的管路相对流量。阀门的“气开”与“气关”1.气开阀与气关阀*气开阀：pc↑→f↑(“有气则开”)*气关阀：pc↑→f↓(“有气则关”)无气源(pc=0)时，气开阀全关，气关阀全开。2.气开阀与气关阀的选择原则*若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。调节阀的结构特性调节阀结构特性：阀芯与阀座间的节流面积和阀门开度之间的函数关系。f为相对节流面积；l为相对开度：

线性阀（线1）：等百分比阀或称对数阀（线2）：调节阀的工作流量特性分析阀阻比S100：调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比，即调节阀工作流量特性（续）线性阀的特性变异对数阀的特性变异调节阀流量特性总结

线性阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当开度到达50~70%时，流量已接近其全开时的数值，即Kv随着开度的增大而显著下降。

对数阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的减少，Kv渐近于常数。调节阀流量特性的选择原则选择原则：仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于0.60

以上（即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。热平衡方程：Kp：控制通道增益“广义对象”的概念“广义对象”的特点特点：（1）使控制系统的设计与分析简化；（2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性；（3）只关心某些特定的输入输出变量。“广义对象”动态特性的

阶跃响应测试法*典型自衡工业对象的阶跃响应对象的近似模型：对应参数见左图，而增益为：[ymin,ymax]为CV的测量范围；[umin,umax]为MV的变化范围，对于阀位开度通常用0~100%表示。“广义对象”动态特性的

矩形脉冲响应测试法SISO对象模型构造与动态响应仿真参见\ProcessModel\OpenLoopResp.mdl过程控制广义对象动态特性分类自衡过程（Self-RegulatingProcesses）

(1)无振荡的自衡过程

(2)有振荡的自衡过程非自衡过程（Non-Self-RegulatingProcesses）

(1)无振荡的非自衡过程

(2)有振荡的非自衡过程

(3)具有反向特性的非自衡过程无振荡自衡过程模型无振荡非自衡过程模型具有反向特性的非自衡过程模型工业过程控制对象的特点除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象；对象动态特性存在不同程度的纯迟延；对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流量对象外的被调量的变化相对缓慢；被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。结论介绍了简单被控过程的机理建模方法与线性化问题；讨论了调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则；讲述了“广义对象”的概念及其动态特性的典型测试方法；列举了工业过程的典型动态特性类型与通道模型。习题1.p.37,习题3-42.p.38,习题3-8（若可能，请用Matlab作图）3.p.58,习题4-9PID控制器的

参数整定与应用问题2004/03/08上一讲内容回顾讨论仿真系统SimuLink的使用方法;介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则；描述了单回路系统的常用性能指标；通过仿真讨论了PID控制律的意义及与控制性能的关系。控制器的“正反作用”选择问题:如何选择控制阀的“气开气关”？如何选择温度控制器的正反作用，以使闭环系统为负反馈系统？PID控制器的物理意义讨论对于一般的自衡过程，当设定值或扰动发生阶路变化时，为什么采用纯比例控制器会存在稳态余差？引入积分作用的目的是什么，为什么引入积分作用会降低闭环控制系统的稳定性？引入微分作用的目的是什么，为什么实际工业过程中应用并不多？本讲基本要求了解PID控制规律的选取原则,掌握单回路PID控制器的参数整定方法,了解PID控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术,了解PID参数的自整定方法。控制器增益Kc或比例度δ

增益Kc

的增大（或比例度δ下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降；积分时间Ti

积分作用的增强（即Ti下降），使系统消除余差的能力加强，但控制系统的稳定性下降；微分时间Td

微分作用增强（即Td增大），可使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用，主要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等。PID参数对控制性能的影响工业PID控制器的选择*1：当工业对象具有较大的滞后时，可引入微分作用；但如果测量噪声较大，则应先对测量信号进行一阶或平均滤波。讨论：选择原则分析。PID工程整定法1-经验法 针对被控变量类型的不同，选择不同的PID参数初始值，投运后再作调整。尽管简单，但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经验法属最为“粗糙”的整定法。 （具体整定参数原则见p.65表5.3-1）工程整定法2-临界比例度法步骤：（1）先将切除PID控制器中的积分与微分作用，取比例增益KC较小值，并投入闭环运行； （2）将KC由小到大变化，对应于某一KC值作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡； （3）设等幅振荡时振荡周期为Tcr、控制器增益Kcr

，再根据控制器类型选择以下PID参数。控制规律KcTiTdP0.5KcrPI0.45Kcr0.83TcrPID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr单回路PID参数整定仿真举例SimuLink仿真程序参见..\PIDControl\PIDLoop.mdl）工程整定法3-响应曲线法*临界比例度法的局限性： 生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡。响应曲线法PID参数整定步骤： （1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃 变化），记录被控变量的响应曲线； （2）由开环响应曲线获得单位阶跃响应曲线，并求取 “广义对象”的近似模型与模型参数； （3）根据控制器类型与对象模型，选择PID参数并投 入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整。“广义对象”动态特性的

阶跃响应测试法*典型自衡工业对象的阶跃响应对象的近似模型：对应参数见左图，而增益为：[ymin,ymax]为CV的测量范围；[umin,umax]为MV的变化范围，对于阀位开度通常用0~100%表示。Ziegler-Nichols参数整定法*特点：适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应曲线可用“一阶+纯滞后”来近似。整定公式：响应曲线法举例SimuLink仿真程序参见..\PIDControl

\PIDLoop.mdl）假设测量范围为200~400℃,K=1.75,T=10min,τ=7min.Kc=0.8,Ti=14min,Td=3.5min.响应曲线法举例（续）对于无显著纯滞后的自衡对象

PID参数整定法（1/4准则）*特点：适合于纯滞后不显著的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应为“S”型曲线。初始整定参数：Ts

为对象开环阶跃响应的过渡过程时间。参数调整：将上述PID控制器投入“Auto”（自动）方式，并适当改变控制回路的设定值，观察控制系统跟踪性能。若响应过慢且无超调，则适当加大KC，例如增大到原来的两倍；反之，则减小KC值。响应曲线1/4准则法举例SimuLink仿真程序参见..\

PIDControl

\

PIDLoop.mdl单回路系统的“积分饱和”问题问题：当存在大的外部扰动时，很有可能出现控制阀调节能力不够的情况，即使控制阀全开或全关，仍不能消除被控输出y(t)与设定值ysp(t)之间的误差。此时，由于积分作用的存在，使调节器输出u(t)无限制地增大或减少，直至达到极限值。而当扰动恢复正常时，由于u(t)在可调范围以外，不能马上起调节作用；等待一定时间后，系统才能恢复正常。单回路系统积分饱和现象举例单回路PID控制系统（无抗积分饱和措施）(参见模型…/PIDControl/PidLoopwithLimit.mdl)单回路系统积分饱和仿真结果单回路系统的防积分饱和原理讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限时，自动切除积分作用。单回路系统的抗积分饱和举例(仿真模型参见…/PIDControl/PidLoopwithAntiInteSatur.mdl)手自动无扰动切换问题与实现实现方式：在Auto（自动）状态，使手操器输出等于调节器的输出；而在Man（手动）时，使调节器输出等于手操器的输出；继电器型PID自整定器原理具有继电器型非线性控制系统问题：如何分析上述非线性系统产生等幅振荡的条件？继电器输入输出信号分析周期信号的Fourier级数展开一个以T为周期的函数f(t)可以展开为对齐次函数,有假设继电器的幅值为d，则继电器输出的一次谐波为继电器型控制系统等幅振荡条件对于没有滞环的继电器非线性环节，假设该环节输入的一次谐波振幅为a，则对继电器输入输出的一次谐波，其增益为闭环继电系统临界稳定条件：对于继电器控制器而言，其临界增益为：临界振荡周期为Tcr。再由临界比例度法自动确定PID参数.继电器型PID自整定举例具体参见…/PIDControl/PidLoopAutoTuning.mdl结论讨论了PID控制规律的选取原则,详细分析了单回路PID参数整定方法,介绍了PID控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术,分析了继电器型PID参数自整定原理。练习题对于题图5-1（p.68）所示的加热炉出口温度控制系统，假设变送器量程为200~300℃。试回答以下问题并说明理由：（1）燃料控制阀选用“气开”阀还是“气关阀”？（2）温度控制器该选“正作用”还是“反作用”？（3）若在手动控制状态，燃料控制阀风压（或者说温度控制器输出电流）减少3%，炉出口温度的变化过程如题5-8下表格所示。请确定“广义对象”的特性参数K、T、τ。（4）若温度控制器采用PID调节器，试确定PID参数，并给出SimuLink仿真曲线（假设设定值从270℃上升至280℃）。前馈控制系统

FeedforwardControl2004/03/25内容前馈控制的原理非线性静态前馈控制的设计方法前馈控制系统的动态补偿前馈反馈控制系统仿真举例前馈控制的概念D1，……，Dn为可测扰动；u，y分别为被控对象的操作变量与受控变量。前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。前馈控制方块图u

(t)、y

(t)分别表示控制变量与被控变量；

d(t)

表示某一外部干扰;GYD(s)、GYC(s)分别为干扰通道与控制通道的动态特性；

GFF(s)为前馈控制器的动态特性。控制目标：前馈不变性原理动态不变性：在扰动d(t)的作用下，被控量y(t)在整个过渡过程中始终保持不变，称系统对于扰动d(t)具有动态不变性，即Y(s)/D(s)=0,（调节过程的动态和稳态偏差均为零，”理想情况“）。稳态不变性：在干扰d(t)作用下，被控量y(t)的动态偏差不等于零，而其稳态偏差为零，即Y(0)/D(0)=0，或者说y(t)在稳态工况下与扰动量d(t)无关。静态前馈控制控制目标：保证过程输出在稳态下补偿外部扰动的影响，即实现“稳态不变性”。静态前馈控制方式：线性静态前馈：非线性静态前馈：结合对象静态模型获得前馈控制器结构与参数。非线性静态前馈控制稳态平衡关系：讨论:前馈控制器的实现与相关测量仪表的影响前馈控制算法假设T1、T2的测量范围为[T1min,T1max]、[T2min,T2max],RV、RF的测量范围为[0,RVmax]、[0,RFmax]；而各测量信号T1m、T2m

、RVm、RFm及设定值均为0~100%.换热器动态仿真模型(参见模型…/FFControl/ExHeater.mdl)静态工作点:T1=20℃,RF=10T/hr,RV=2T/hr,Kv=800,T2=180℃.T2仪表量程为100~300℃,RV仪表量程为0~5T/hr.干扰通道纯滞后可忽略,控制通道纯滞后为2.5min.换热器的静态前馈控制器假设静态工作点为:T1=20℃,RF=10T/hr,RV=2T/hr,Kv=800,T2=180℃.T2的测量仪表量程为100~300℃,RV仪表量程为0~5T/hr，T1量程为0~50℃,RF仪表量程为0~20T/hr.则其静态前馈控制算法为换热器静态前馈控制仿真讨论：分析稳态不变性原理以及系数Kvm对前馈控制性能的影响，(参见模型…/FFControl/ExHeaterStaticFFC.mdl)前馈控制的动态补偿讨论：当控制通道与扰动通道的动态特性差异较大时，需要引入动态补偿。对于线性系统，动态补偿算法为这里，gYD(s)、gYC(s)分别表示通道特性的动态部分，其稳态增益均为1。非线性系统的动态前馈补偿对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静态与动态两部分：其中对于非线性系统，上式中静态前馈部分可由对象的非线性静态模型计算得到，而动态部分同样可按线性对象处理。动态前馈补偿的一般形式为前馈控制与反馈控制的比较

前馈控制

反馈控制扰动可测，但不要求被控量可测被控量直接可测超前调节，可实现系统输出的不变性（但存在可实现问题）按偏差控制，存在偏差才能调节，（滞后调节）开环调节，无稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题系统仅能感受有限个可测扰动系统可感受所有影响输出的扰动对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知而且准确对通道模型要求弱，大多数情况无需对象模型对时变与非线性对象的适应性弱对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强换热器的前馈反馈控制方案1换热器的前馈反馈控制方案2特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。换热器反馈控制系统举例(参见模型…/FFControl/ExHeaterPID.mdl)换热器前馈反馈控制系统#1(参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID1.mdl)换热器前馈反馈控制系统#2(参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID2.mdl)结论引入前馈控制的可能应用场合： （1）主要被控量不可测； （2）尽管被控量可测，但控制系统所受的干扰严重， 常规反馈控制系统难以满足要求。应用前馈控制的前提条件： （1）主要干扰可测； （2）干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近； （3）干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。练习题下图所示的换热器采用蒸汽加热工艺介质，要求介质出口温度达到规定的控制指标。试分析下列情况下应选择哪一种控制方案，并画出带控制点的流程图与方块图。（1）工艺介质流量GF与蒸汽阀前压力PV均比较稳定；（2）介质流量GF比较稳定，但压力PV波动较大；（3）蒸汽压力PV比较稳定，但介质流量GF波动较大。比值控制

RatioControl2004/03/28比值控制内容比值控制问题的由来；常用的比值控制方案与系统结构；流量比值与比值器参数的关系；变比值控制系统的特点与应用场合；仿真举例溶液配制问题问题：当NaoH用量QB变化时，调整稀释水量QA以使稀释液NaoH的浓度为6~8%左右。解决方案：（1）出口浓度控制；（2）入口流量的比值控制（流量比值？）。一般的比值控制问题要求：QA

/QB

=KAB（比值系数）而QB为主动流量，QA为可控量，要求设计一控制系统通过调节QA以实现上述比值控制目标。比值控制系统方案1稳态条件:IA=K1IB假设流量测量变送环节为线性对象（对于用孔板测量的信号须经开方运算）。比值控制方案2稳态条件:K2IA=IB比值控制系统方案3稳态条件:K3=IA/

IB存在问题：物料A的流量回路存在非线性，当物料B的流量减少时，回路增益增大，有可能使系统不稳定，并可能出现“除零”运算。比值控制的逻辑提降量功能:(1)正常工况下实现锅炉蒸汽压力对燃料流量的串级控制，以及燃料与空气流量的比值控制(2)提负荷时先提空气，而降负荷时先降燃料量。分析要点：正常工况时，换热器出口温度

变比值串级控制系统系统功能：（1）变比值串级？（2）变增益串级？（3）前馈反馈串级控制？换热器变比值串级控制仿真(参见模型…/FFControl/ExHeaterRatio_PID.mdl)结论讨论了流量比值控制问题；介绍了常用的比值控制方案；分析了流量比值与比值器参数的关系；详细列举了燃烧控制中常用的逻辑提降量问题与解决方案；简单介绍了变比值控制系统的特点与应用场合。练习题右图表示了NaOH溶液的稀释过程，输入溶液浓度为20%，要求进一步用清水稀释成浓度为5%的溶液。流量F1、F2的测量仪表均为线性变送器，仪表量程分别为0~30T/hr和0~120T/hr，并采用DDZ-Ⅲ型，K为比值计算单元。（1）求K值与流量比值的关系式；（2）根据所描述的工艺情况，确定K值；（3）若F1的变化范围为10~20T/hr，试求取稳态条件下I2与I3的变化范围（用mA表示）液位均匀系统2004/03/21上一讲内容回顾介绍了串级控制系统的概念与特点；结合控制原理，具体分析了串级系统的抗干扰性能；讨论了串级控制系统的设计原则；详细介绍了串级控制系统的参数整定过程.问题讨论串级控制的概念，说明与单回路控制的区别。以左图的反应器为例，说明引入串级控制的意义。为什么引入串级控制可显著减少内回路的干扰，并显著提高控制系统鲁棒性？如何选择主副控制器的控制规律，如何整定PID参数？串级PID系统的积分饱和问题情况1：流量副回路出现“积分饱和”，可采用单回路抗积分饱和方法；情况2：当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时，可能出现限位参数不一致的情形，同样存在发生“积分饱和”的可能性。单回路系统的防积分饱和方法：正常情况为标准的PD+PI控制算法；而当出现超限时，通过限制积分作用达到切除积分作用的目的。单回路防积分饱和方法

在串级控制系统中的局限性串级PID控制系统（只采取单回路抗积分饱和措施）(参见模型…/CascadePID/CascadePidwithLimit.mdl)串级系统积分饱和现象仿真串级系统产生积分饱和的原因分析？串级控制系统主调节器

防积分饱和连接法串级控制系统的防积分饱和串级系统的防积分饱和方法举例串级PID控制系统（采取抗积分饱和措施）(参见模型…/CascadePID/CasPidwithAntiSatur.mdl)串级系统防积分饱和措施举例工业PID控制器常用结构功能:控制输出跟踪,防积分饱和,输出限幅,正反作用选择,测量值滤波,设定值变化率限幅等.均匀控制内容均匀控制的概念与特点；常见的均匀控制系统；均匀控制系统的应用场合；仿真举例；结论均匀控制问题当塔甲的进料量变化时，希望塔甲的液位h(t)与出料qo(t)同时平稳，以确保后续设备进料波动的减少。这完全不同于单纯的液位控制系统（那里只关心液位的平稳，而不关注控制变量的变化情况），而要求液位与出料同时“均匀”地变化。均匀控制系统的特点不同于常规的定值控制系统，而对被控变量(CV)与控制变量(MV)都有平稳的要求；为解决CV与MV都希望平稳这一对矛盾，只能要求CV与MV都渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，液位在贮罐的上下限内波动，而流量应在一定范围内平缓渐变。均匀控制指的是控制功能，而不是控制方案。常用的均匀控制方案单回路均匀控制系统串级均匀控制系统讨论：两种方案有何不同？均匀控制系统的分析假设流量回路调节迅速，对液位对象而言其动态滞后可忽略；并不考虑液位测量滞后。则广义对象特性可表示成A为塔底截面积均匀控制系统的分析(续)假设液位测量范围为Hmax，进出流量的测量范围均为Qmax，则广义对象特性可表示成其中h(t)、qi(t)、qo(t)分别为液位与进出流量的归一化值。均匀控制系统的分析(续)对于纯比例控制器Gc=Kc，可得到的闭环特性为：纯比例均匀控制系统的特点可实现进出物料的自动平衡；当物料的平均停留时间Th一定时，控制器增益Kc的减少可使出料更加平缓，但使液位的波动范围与余差同时增大；为减少液位的调节余差，主控制器需要引入少量的积分作用。均匀控制系统的PID参数整定对于串级均匀控制系统的副调节器，应选择PI规律，按单回路工程整定法确定其PI参数。对于主调节器，一般应选择纯比例规律，即积分时间足够大。通过调整增益Kc以使出料尽可能地平缓，而同时确保液位不超出允许范围。有时为减少液位的调节余差，可引入少量的积分作用。当液位测量噪声较大时，为避免出料流量的同频率波动，可对液位测量信号进行低通滤波。均匀控制仿真举例假设流量回路调节迅速，对液位对象而言其动态滞后可忽略；并不考虑液位测量滞后。则广义对象特性可表示成A为塔底截面积均匀控制SimuLink仿真模型分析均匀控制与液位控制的控制目标与控制参数的不同(参见模型…/EqualControl/CascadePid.mdl)结论介绍了液位均匀控制的概念与特点；讨论了常见的均匀控制系统；列举了均匀控制系统的应用场合；通过仿真举例分析了均匀控制与简单液位控制在控制目标与控制器参数选择方面的不同.选择性控制与分程控制2004/04/06主要内容选择性控制问题的由来；选择性控制的设计方法与应用场合；分程控制的特点与适用场合；分程区间的确定方法；阀位控制的概念与设计方法。选择性控制系统2004/04/06选择性控制分类超驰控制（OverrideControl），也称约束控制（ConstraintControl） 特点：被控变量类型不同，通常有两个以上的控制器，主要用于设备软保护。被控变量选择控制（SelectiveControl） 特点：被控变量类型相同，通常只有一个控制器，与单回路控制相近，只是控制器输入由多个测量信号选择得到。放热反应器热点温度选择控制超驰控制概念“超驰控制系统”的受控变量往往包括：一个常规受控变量，需要进行定值控制；一个区间约束变量，正常工况下无需控制，但一旦超出允许范围就需要及时加以调节，以防止事故的发生。“超驰控制系统”的操作变量往往只有一个，因此，控制系统需要随时针对实际情况，选择某一个受控变量加以控制。液氨蒸发器的单回路控制液氨蒸发器的选择控制系统问题：（1）调节阀气开气关特性的选择；（2）控制器正反作用的选择；（3）选择器（低选器LS或高选器HS）的选择。液氨蒸发器选择控制方块图选择控制系统的抗积分饱和抗积分饱和方法：当某一控制器起作用时，让另一备用控制器的输出跟踪起作用控制器的输出，从而避免备用控制器的积分累加。选择控制系统抗积分饱和的实现分程与阀位控制系统2003/10/12间歇聚合反应器的控制问题控制要求：反应开始前，需要用蒸汽加热以达到反应所需的温度；当反应开始后，因放出大量反应热，需要用冷水进行冷却。要求全过程自动控制反应器的温度？反应器温度分程控制系统问题：（1）选择两调节阀的气开气关属性；（2）温度控制器的正反作用；（3）协调两调节阀的动作；（4）如何克服广义对象的非线性。反应器温度控制系统

调节阀的分程动作关系工作过程：（1）当温度偏低时，调节阀气动信号增大。若冷水阀还未全关，则逐步关冷水阀；否则，开大蒸汽阀；（2）当温度偏高时，调节阀气动信号减少。若蒸汽阀还未全关，则逐步关蒸汽阀；否则，开大冷水阀；分程控制系统的非线性问题：分程控制系统非线性的补偿补偿原理：分程控制非线性补偿方法补偿原理：若贮罐气封分程控制系统问题：（1）协调两调节阀的动作；（2）如何避免两调节阀的频繁开闭以减少N2用量?贮罐气封分程控制系统

分程动作过程避免两调节阀频繁开闭的方法：（1）控制阀引入不灵敏区。（2）同时，控制器引入调节死区（为什么？）分馏塔轻柴油

抽出塔板温度控制问题问题：TIC203与轻柴油的产品质量关系密切，需要加以有效控制。但原控制方案中三通调节阀的调节能力不足，经常需要人工干预（手动调节一中回流量）。如何改进方案？要求：（1）确保TIC203的控制能力；（2）尽可能使一中回流经换热器进行能量回收；（3）一中回流量作为稳定塔的热源，希望波动尽可能小。轻柴油抽出板温度

的双重控制系统图中VPC称为“阀位控制器”，其测量值为主调节阀（本例中为三通调节阀）的开度。系统特点：（1）对主参数的控制能力显著提高。与分程控制不同的是，两调节阀可同时动作。（2）通过设定Vsp，可实现能量回收的最大化。多回路PID控制系统小结用于改善控制系统性能的多回路PID系统 （1）串级控制系统； （2）前馈控制系统； （3）变增益/变比值控制系统。用于满足工艺特定需要的多回路PID系统 （1）均匀控制系统； （2）比值控制系统； （3）分程控制系统； （4）阀位控制系统； （5）选择性控制系统。练习题如图所示的精馏塔提馏段灵敏板温度控制回路很可能引起液泛。假设液泛可以用塔底和塔顶压力之差来表征（压差太大表示可能存在液泛）。请在此基础上设计一个液泛约束控制系统，以保证正常操作时按提馏段温度调节加热蒸汽流量，而当塔即将出现液泛时则要求调节加热蒸汽流量确保不发生液泛。要求：（1）画出带控制点的流程图与对应的方块图；（2）选择调节器的正反作用。MIMO过程的解耦控制2002/04/23内容引言相对增益MIMO系统的变量匹配解耦控制系统的设计解耦控制系统的实施结论多变量控制系统设计方法单变量控制系统（多回路控制） 方法简单，当系统关联不强时，如果配对正确，而且参数整定合适，应用效果良好，较强的鲁棒性。解耦控制 方法较复杂，当系统关联较强时，如果对象模型基本正确，可应用于实际过程，但鲁棒性较弱。多变量控制 方法众多，相对复杂，可适用于各种实际过程，但鲁棒性较弱，通常要求建立对象模型。多变量系统中的耦合基本问题：若采用SISO控制器，如何进行输入输出变量之间的配对？多回路PID控制相对增益的概念

第一放大系数pij：在其它控制量ur(r≠j)均不变的前提下，uj对yi的开环增益

第二放大系数pij：在利用控制回路使其它被控量yr(r≠i)均不变的前提下，uj对yi的开环增益相对增益的概念（续）

uj至yi通道的相对增益：

相对增益矩阵：相对增益系数的计算方法1输入输出稳态方程相对增益系数的计算方法2注：上述计算公式中的“●”为两矩阵对应元素的相乘！相对增益系数的计算方法2(续)例如：稳态增益：练习：计算λ11，λ33，λ12，λ31?其中detP是矩阵P的行列式；Pij是矩阵P的代数余子式。相对增益矩阵的归一性相对增益矩阵中每行或每列的总和均为1；若相对增益矩阵中，某些元素>1，则对应行与列中必然有某些元素<0;λij反映了通道uj与yi之间的稳态增益受其它回路的影响程度.相对增益与耦合程度当通道的相对增益接近于1，例如0.8<λij<1.2，则表明其它通道对该通道的关联作用很小;当相对增益小于零或接近于零时，说明使用本通道调节器不能得到良好的控制效果。或者说，这个通道的变量选配不适当，应重新选择。当相对增益在0.3到0.7之间或者大于1.5时，则表明系统中存在着非常严重的耦合。需要考虑进行解耦设计或采用多变量控制系统设计方法。变量配对举例(调和过程)为非线性系统！变量配对举例（续）1.设定稳态工作点：Q0（u10,u20,y10,y20）2.稳态工作点Q0附近偏差化变量配对举例（续）3.工作点Q0附近线性化变量配对举例（续）4.对于稳态工作点Q0计算某一相对增益：变量配对举例（续）5.利用相对增益的性质计算相对增益矩阵：变量配对举例（续）6.进行合适的变量配对(假设C1>y20>C2)：变量配对举例（续）7.分析结论(假设C1>y20>C2)：（1）变量配对：用量大的操作变量控总流量；用量小的操作变量控浓度。（2）若用量大的操作变量占总流量75%以上，则只要用常规多回路就可以；否则，若两种进料量接近，则需要采用非常规方法，例如解耦设计。调和过程工况举例1F1=80T/hr，F2=20T/hr，F

=100T/hr；C1=75%， C2=25%，C

=64%。相对增益矩阵为：输入输出的正确配对：多回路控制方案#1（F-F1,C-F2）调和过程多回路控制模型#1多回路控制方案#1的闭环响应多回路控制方案#2（C-F1,F-F2）调和过程多回路控制模型#2多回路控制方案#2的闭环响应耦合过程的控制系统设计经合适输入输出变量配对后，若关联不大，则可采用常规的多回路PID控制器；尽管系统稳态关联严重，但主要控制通道动态特性差别较大，仍可通过调整PID参数，使各回路的工作频率拉开；若系统稳态关联严重，而且动态特性相近，则需要进行解耦设计。解耦控制系统的设计

前馈补偿法解耦原理：使y1与uc2无关联；使y2与uc1无关联解耦控制系统的设计

前馈补偿法（续）解耦控制系统的设计

对角矩阵法解耦控制系统的设计

对角矩阵法（续）解耦控制系统的设计

单位矩阵法解耦控制系统的简化设计

（稳态解耦法）解耦控制系统的实现

1：初始化问题问题：若u1,u2为“手动”时，如何设定基本控制器Gc1输出的初始值，以便无扰动地投入“自动”？解耦控制系统的实现

2：约束问题问题：当两回路均为“自动”时，若u2在运行过程中受到了约束，两控制器有可能都驱使u1趋向约束。改进的解耦控制方案调和过程的解耦控制举例调和过程解耦控制系统仿真被控过程：稳态工作点：Q0（u10,u20,y10,y20）调和过程解耦控制仿真（续）模型：相对增益矩阵：问题：如何进行变量配对与解耦控制系统设计？调和过程多回路控制仿真模型#3调和过程多回路控制响应调和过程动态线性解耦方案动态线性解耦闭环响应调和过程线性静态解耦方案线性静态解耦系统闭环响应调和过程的部分静态解耦方案部分静态解耦系统闭环响应非线性静态解耦的一般结构+调和过程的非线性静态解耦++调和过程非线性静态解耦（续）+调和过程的非线性完全解耦非线性完全解耦控制仿真模型非线性静态解耦系统闭环响应MIMO耦合系统解耦控制小结应通过关联分析并选择合适的输入输出配对:1.若关联不大或主要控制通道动态特性差别较大，则可采用常规的多回路PID控制器；2.若系统稳态关联严重，而且动态特性相近，则需要进行解耦设计。常用的解耦方法： 前馈解耦、静态解耦、部分解耦、线性或非线性解耦等。练习题巳知过程的开环稳态增益矩阵试推导其相对增益矩阵，并选择最好的控制回路。分析此过程是否需要解耦。流体输送设备控制自学思考题对于离心式流体输送设备（泵、压缩机），如何实现流量控制？对于容积式泵设备，如何实现流量控制？对于离心式压缩机，说明喘振现象与产生原因；掌握常用的防喘振方法与相应的控制系统；传热设备控制要求1、掌握换热器出口温度的控制方案与对象静态特性；2、了解加热炉的常用控制方案；3、掌握汽包水位的对象特点与控制方案；4、掌握锅炉设备燃料与空气逻辑变比值控制系统的分析与设计方法；5、了解锅炉设备过热蒸汽温度的控制问题与常用的控制方法。预测控制原理

(ModelPredictiveControl)2001/10/21内容预测控制的由来预测控制原理动态矩阵控制算法仿真举例预测控制的由来工业过程的特点 多变量、非线性、强耦合、不确定性、约束现代控制理论与方法 精确的数学模型、最优的性能指标、系统而精确的设计方法工业过程对控制的要求 高质量的控制性能、对模型要求不高、实现方便、强鲁棒性一类用计算机实现的最优控制算法建模方便，不需要深入了解过程内部机理非最小化描述的离散卷积模型，有利于提高系统的鲁棒性滚动优化策略，较好的动态控制效果简单实用的模型校正方法，较强的鲁棒性可推广应用于带约束、大纯滞后、非最小相位、多输入多输出、非线性等过程预测控制的特点预测控制系统结构动态预测模型

预测模型的功能： 根据被控对象的历史测量信息{u(k-j),y(k-j)|j≥1

}和未来输入{u(k+j-1)|j=1,…,m}，预测对象未来输出{y(k+j)|j=1,…,p}预测模型形式：

参数模型：微分方程、差分方程等；

非参数模型：脉冲响应、阶跃响应等。模型输出预测滚动优化（在线优化）优化目的

通过使某一性能指标J

极小化，以确定未来的控制作用u(k+j|k)。指标J

希望模型预测输出尽可能趋近于参考轨迹。优化过程 滚动优化在线反复进行。优化目标只关心预测时域内系统的动态性能，而且只将u(k|k)施加于被控过程.滚动优化（续）反馈校正

每到一个新的采样时刻，都要通过实际测到的输出信息对基于模型的预测输出进行修正，然后再进行新的优化。不断根据系统的实际输出对预测输出值作出修正使滚动优化不但基于模型，而且利用了反馈信息，构成闭环优化。模型输出反馈校正（续）常用预测控制算法动态矩阵控制(Cutleretal,1980)

（DynamicMatrixControl,DMC）模型算法控制(Richalet

etal,1978)

（ModelAlgorithmControl,MAC）广义预测控制(Clarke

etal,1987)

（GeneralizedPredictiveControl,GPC）预测模型

脉冲响应模型（要求系统为开环稳定对象）

阶跃响应模型（要求系统为开环稳定对象）

DMC模型输出预测

系统输出预测值：

分解后得到：DMC输出校正

输出预测校正（控制作用未变化时）：

输出预测误差：

校正后的输出预测值：(*)DMC优化目标假设优化目标：使以下函数极小化令DMC优化目标（续）则目标函数为而A为动态矩阵DMC优化目标（续）DMC最优解：最终的控制算式为DMC仿真举例

情形1：预测模型与控制对象特性一致情形2：存在模型失配(具体仿真结果见SimuLink相应程序)第六讲

MIMO系统的约束预测控制2001/06/21“先进控制技术”讲座内容多变量约束控制问题APC软件产品介绍预测控制器MDMC_LP

预测模型、设定值操作优化、动态最优控制工业应用

——原油常压塔温度分布控制工业过程对APC的控制要求改善控制系统性能，包括跟踪特性、抗干扰特性；适应多变量、强关联、大时滞、不确定时滞等复杂特性；满足对控制变量、被控变量和中间变量的约束；降低操作成本，追求产量最高、能耗最小等效益指标。商品化预测控制软件MIMO系统的受约束控制问题

控制变量（MVs）约束：

输出变量（CVs,AVs）约束：MDMC_LP控制器结构MDMC_LP中的预测模型

动态预测模型：

稳态预测模型：设定值操作优化问题

操作优化目标：

约束条件：其中us(k)、ys(k)分别为u(k)、y(k)的稳态预测值。设定值操作优化问题求解

线性规划问题：其中动态最优控制问题

目标函数：

控制目标：（1）尽可能地减少被控变量与其设定值之间的偏差；（2）尽可能地减少控制变量的振荡；（3）希望控制变量与其稳态工作点之间的偏差尽可能小以满足对辅助变量的约束，并实现操作成本的最小化。原油常减压蒸馏过程原油常压塔侧线温度控制问题

控制目的：减少各侧线产品质量的波动，克服原油处理量与性质变化对常压塔操作的影响。常压塔侧线温度与抽出量的关系

其中，各稳态增益的单位为℃/（T/Hr），一阶时间常数与纯滞后时间的单位均为分.常压塔APC投用效果投用后常一线抽出塔盘温度常压塔APC投用效果（续1）投用后常二线抽出塔盘温度常压塔APC投用效果（续2）投用后常三线抽出塔盘温度常压塔APC抗干扰性能处理量的变化常一线温度变化常二线温度变化常三线温度变化常压塔APC系统评价先进控制系统的投用显著地减少了侧线温度的波动；对原油处理量的改变与原油性质的变化，常压塔的操作自适应能力提高；先进控制系统投用后，各侧线产品的重叠度减少，合格率显著提高；系统性能与预测模型的精度相关。当操作方案发生大的改变或原油处理量变化过大时，需要重新进行模型测试。对象非线性增益的补偿2004/03/25对象增益非线性补偿方法调节阀特性补偿，以使广义对象为近似线性；串级控制方式，以克服副回路的非线性；引入比值等中间参数，以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。增益非线性补偿方法举例1对象稳态关系：对象增益：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。非线性补偿方法举例2补偿方法：通过引入串级控制方式，以克服副回路中的非线性，实现主对象增益在一定条件下的的近似线性（本例中，指Fsp

与出口温度的稳态增益）。非线性补偿方法举例3补偿方法：通过引入中间变量（本例中为蒸汽量与工艺物料量的比值），实现主对象增益的近似线性（本例中，指u(t)与T2(t)的稳态增益）。pH中和过程中和反应:中和反应平衡式:pH的定义式:pH中和过程的稳态模型假设先混合后反应,混合后的酸与碱浓度x1,x2分别为中和反应的结果使混合液中的剩余酸浓度为pH中和过程的非线性中和过程的动态模型参见p.239图14.3-3pH中和过程的单回路控制中和过程的变比值串级PID控制pH中和过程的非线性控制讨论：由于pH中和过程非线性的特殊性，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。中和过程非线性增益补偿原理流体输送设备的控制2001/11/28流体输送设备控制

自学思考题对于离心式流体输送设备（泵、压缩机），如何实现流量控制？对于容积式泵设备，如何实现流量控制？对于离心式压缩机，说明喘振现象与产生原因；掌握常用的防喘振方法与相应的控制系统；流量控制系统的特点控制通道的对象时间常数小 只需采用PI调节器，无须引入微分作用；测量信号通常带有高频噪声 应考虑对测量信号的滤波或在控制器与变送器之间引入一阶滞后环节，以减小调节阀的振动；静态非线性 应考虑选用合适的控制阀特性，使广义对象的静态特性接近线性。离心泵的特性H为泵的压头，即泵前后的流体静压差；n

为离心泵转速；Q为泵的排出量。HL为泵的最大输出功率线，即在给定的转速下，H*Q在该压头下达到最大。采用直接节流法的流量控制系统调节原理：通过改变相关管路的阻力系数，以控制管道流量。注意：控制阀不应装在泵的吸入口；另外，控制阀的开度不应过小或过大，即应合理选择控制阀的尺寸。还有，检测元件宜装在控制阀的上游。采用变频调速法的流量控制调节原理：采用变频调速器通过改变泵的转速，以控制管道流量。特点：节能，调节平稳，但投资较大。采用旁路法的流量控制特点：机械效率低，但适合于某些不能采用直接节流法的容积式泵。容积式泵的流量控制特点：容积式泵不能采用直接节流法。可采用旁路法或调速法或上述控制方案。离心式压缩机的特性曲线P2/P1为压缩机出口压力与进口压力（均为绝压）之比，或称压缩比；n

为压缩机的转速；Q

为压缩机出口流量。其气量或出口压力的控制系统与离心泵相近，可用直接节流法、旁路回流法与变频调速等。流体输送设备的喘振现象(1)泵刚启动时，液位为1-1，对应管路特性为I，工作点为QM，QA>QM.(2)工作点的变化过程：QM→QN→QO→QP→QN→QO→...产生喘振的条件流体输送设备的特性曲线为驼峰型 即管路特性与输送设备的特性曲线存在两个交点；管线中存在能贮存和释放能量的容器。

防喘振操作线方程Q1为压缩机吸入口气体的体积流量,即压力为P1

，温度为T1条件下的气体体积流量。K，a由压缩机生产厂给出。采用差压计测流量时的

安全操作线固定极限防喘振控制系统当压缩机正常运行时，控制器的测量值恒大于设定值，要求旁路阀全关；而当压缩机吸气量小于设定值时，要求旁路阀打开，使压缩机总的吸入量等于或大于设定值.问题：调节阀选型，控制器作用方向选择，与防积分饱和方法？可变极限防喘振控制系统问题：若流量测量在出口处，如何推导得到防喘振安全操作线？防喘振控制系统实例分析该系统包括两个控制回路：（1）采用调速方法控制气压机的入口压力；（2）采用可变极限流量法的气压机变防喘振控制系统。练习题1对于下图所示的离心泵系统，其管路网络有两个分支。请设计一个控制系统以稳定每个支路的流量，并考虑如何消除或减弱两分支之间的耦合问题。练习题2在可变极限流量防喘振控制中，如果压缩机入口管线上不允许测量流量，只能在出口处测量，并假设用孔板进行测量，试推导得到该情况下与相对应的防喘振曲线表达式。换热设备控制自学思考题1、针对逆流单程列管式换热器，当两侧液体均无相变时，试推导得到工艺介质出口温度与输入条件之间的静态关系；2、了解夹套式（集中参数系统）与套管式换热器（分布参数系统）的动态模型建立方法；3、掌握换热器的控制问题与常用的控制方案；4、掌握加热炉出口温度的控制问题与串级控制方案；传热设备的控制2001/11/28换热设备控制思考题1、针对逆流单程列管式换热器，当两侧液体均无相变时，试推导得到工艺介质出口温度与输入条件之间的静态关系；2、了解夹套式（集中参数系统）与套管式换热器（分布参数系统）的动态模型建立方法；3、掌握换热器的控制问题与常用的控制方案；4、掌握加热炉出口温度的控制问题与串级方案。内容

引言换热器的静态特性换热器的动态特性换热器的控制加热炉的控制锅炉设备的控制换热器的静态特性问题：针对逆流单程列管式热交换器，巳知入口条件（G1,T1i,G2,T2i）,要求计算稳定条件下工艺介质与载热体的出口温度（T1o,T2o）。其中c1,c2分别为相应介质的比热。热交换过程的热量平衡方程假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有热损失。即 被加热物料得到的热量/单位时间

=载热体放出的热量/单位时间热交换过程的传热速率方程K为传热系数；Fm

为传热面积；ΔTm为传热壁两侧流体的平均温差.对于逆流单程换热器，可取对数平均值若在1/3~3之间，则可用算术平均近似热交换过程的静态方程热交换过程的静态特性分析严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等百分数阀。换热器的控制问题被控变量

(1)被加热/冷却介质的出口温度（无相变）；

(2)加热/冷却所需的热量（有相变），如精馏塔底再沸器的蒸发量。控制变量

(1)调载热体的流量；(2)调节传热平均温差；

(3)调传热面积； (4)将工艺介质分路，一路经换热，另一路走旁路。换热器的控制方案换热器的控制方案(续)问题：若上述单回路控制方案仍未能满足工艺要求，如何改进控制方案，以进一步提高控制质量？加热炉的控制问题被控变量：工艺介质的出口温度。控制变量：燃料油或燃料气的流量。主要干扰： 工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油/燃料气的压力、流量、成分（或热值）；燃料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻力，炉膛压力等。加热炉的单回路控制加热炉的串级控制（一）加热炉的串级控制（二）催化裂化加热炉的控制系统加热炉的安全联锁保护系统LS：低选器；BS：火焰检测器；GL1：燃料气流量过低联锁装置；GL2：进料流量过低联锁装置。锅炉设备的工艺流程锅炉设备控制思考题1、了解锅炉设备的控制问题与系统分解；2、掌握汽包水位的对象特点与控制方案；3、掌握锅炉设备燃料与空气逻辑变比值控制系统的分析与设计方法；4、了解锅炉设备过热蒸汽温度的控制问题与常用的控制方法。锅炉设备的控制问题

系统分解：（1）锅炉汽包水位的控制； （2）锅炉燃烧系统的控制； （3）过热蒸汽系统的控制。汽包水位的控制问题被控变量：汽包水位，用H(s)表示控制变量：汽包给水量，用G(s)表示主要干扰： 蒸汽负荷（蒸汽流量），用D(s)表示通道对象： 非自衡、非最小相位、非线性等特性汽包水位的对象特性干扰通道特性控制通道特性非最小相位特性对象为非最小相位（存在位于复平面右半平面的零点）的条件为汽包水位的单冲量控制汽包水位的双冲量控制前馈补偿原理：假设调节阀为气关阀，C1=1，则调节器为正作用，而C2应取负号，具体数值可现场调整或根据阀门特性计算其初始值。汽包水位的三冲量控