对象非线性增益的补偿 张建明 浙江大学智能系统与控制研究所

提问1 1、TC21的正反作用？ 2、描述控制过程? 3、PID参数如何整定？ 4、如果燃料油流量波动很大，如何改进控制系统？ 介绍带控制点的工艺流程图

提问2 相比反馈控制，串级控制更有效抑制干扰，因此在控制方案选择时应首选串级控制？ 串级能够有效抑制副回路中的干扰，因此应选择能包含最多干扰的那个变量作为副变量？

提问3 串级控制系统的调节阀由原来的口径20mm的气开阀改为口径32mm的气关阀。问： 主、副控制器正反作用要否改变？ 副控制器的比例系数要否改变？ 主控制器的比例系数要否改变？

提问4 如果工艺介质流量波动很大，如何改进控制系统？ 介绍带控制点的工艺流程图

提问5 图示为一个前馈反馈控制系统方框图，试确定前馈控制器的传递函数。

提问6 如何实现空气量和燃油量保持一定的比例关系？

提问7 控制器正反作用的选择； 选择器(低选器LS或高选器HS)的选择； 如何防积分饱和？ 注意高选器、低选器的符号 选择器的性质只取决于异常工况控制回路 TC“正作用”, LC“反作用” 当液位大于上限值时，LC输出为低信号，选择器应为“低选器”

内 容 调节阀的非线性及其补偿 控制通道的非线性及其补偿 pH中和过程的非线性控制

气动调节阀的静态特性分析 I/P：电气转换器 u： 控制信号 pc：阀膜头气动压力信号 l： 阀杆位移 f： 阀流通面积 Rc：实际控制流量

调节阀的理想流量特性 调节阀理想流量特性：当控制阀两端差压恒定时，通过控制阀的流量和阀杆位移之间的函数关系。 f 为相对流通面积；l 为阀杆相对位移： 线性阀（1）： 等百分比阀或称对数阀（2）： 快开阀（3），抛物线阀（4）

控制阀静态特性分析 （以气开阀为例） 假设 线性阀 等百分比阀

调节阀实际流量特性分析 阀阻比 S100：调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比，即 由于设备和管道上的压力损失与通过的流量成平方关系，当总压一定时，随着阀开度增大，管道流量增加，调节阀上压降将逐渐减小，如上图所示。因此在相同的阀芯位移下，现在的流量要比调节阀上压降保持不变的理想情况小。而且随着阀开度越大，阀上压降所占的比重越小，流量与调节阀上压降保持不变的理想情况时的流量之间的差距越大。 阀阻比 S100：调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比，即 14

调节阀实际流量特性（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 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。 17

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。

调节阀特性补偿 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。

换热器出口温度控制系统 对象特性分析 过程稳态模型为： 对象增益： 讨论：由于对象增益存在非线性，当RF变化较大时，TC27的PID参数整定困难（为什么？）。如何通过增益补偿，以减少对象非线性对控制回路的影响？

换热器出口温度控制系统 对象特性分析 可写出热平衡方程: 控制通道静态增益:

调节阀特性补偿 可写出热平衡方程: 控制通道静态增益: 从静态增益补偿的角度考虑：

串级控制的内回路补偿 补偿方法：通过引入串级控制方式，克服副回路中的非线性。 串级控制能克服因PV变化所导致的控制通道的非线性。 可克服因RF变化所引起的非线性吗？为什么？

变比值控制实现非线性补偿 讨论： （1）指出温度控制回路所对应的广义对象的输入输出； （2）为什么说，即使RF发生大范围的变化，TC27所涉及的广义对象是近似线性的？

pH中和过程的工艺原理 pH的定义：pH = －lg[H+] 反应方程式： 化学平衡：

pH中和过程的控制问题 定义：

基本pH控制方案 广义对象特性分析

基本pH控制方案的仿真举例 仿真实验过程 pHsp: 6.5↑7.0 （在 60 min时） F1: 30↓15 L/min （在 110 min时） pH1: 5↓4.5 （在 160 min时） pH2: 11↓10.5 （在 210 min时）

pH变比值串级控制方案 优缺点分析

pH 变比值串级控制仿真举例 仿真实验过程 pHsp: 6.5↑7.0 （在 60 min时） F1: 30↓15 L/min （在 110 min时） pH1: 5↓4.5 （在 160 min时） pH2: 11↓10.5 （在 210 min时）

非线性增益补偿 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。

非线性增益补偿器 问题：如pH设定值不在7.0，控制性能会如何变化 ? 以7为设定值比较好实现（偏差绝对值小于某值取一个增益，否则取另一个增益），设定值不为7实现起来较麻烦 问题：如pH设定值不在7.0，控制性能会如何变化 ?

非线性增益pH控制仿真举例 仿真实验过程 pHsp: 6.5↑7.0 （在 60 min时） F1: 30↓15 L/min （在 110 min时） pH1: 5↓4.5 （在 160 min时） pH2: 11↓10.5 （在 210 min时）

基于非线性变换的pH控制方案 基本思想：通过控制中和过程的酸碱离子浓度，来间接控制pH值；而Zm反映了中和管中的碱酸离子浓度差，当基本条件不变时，它与碱液流量 F2 成正比，即广义对象近似线性。

基于非线性变换的pH控制仿真 仿真实验过程 pHsp: 6.5↑7.0 （在 60 min时） F1: 30↓15 L/min （在 110 min时） pH1: 5↓4.5 （在 160 min时） pH2: 11↓10.5 （在 210 min时）

对象非线性增益补偿方法 非线性控制阀 串级控制 变比值控制 （控制器）非线性增益的引入 （广义对象）非线性变换环节的引入 对象参数辨识 + 控制器增益调整

方案设计讨论1 设计一套控制方案，来控制接触池开始处的氯离子的残余量。 由于接触池中将会发生一系列的反应，氯离子真实残余量并不等于进入接触池的氯离子含量。环保局对氯离子真实残余量很感兴趣。因此，在接触池的出口处安装了第二台分析器。请设计一套控制方案来控制流出物中的氯离子残余量。