对象非线性增益补偿 戴连奎 浙江大学控制学院 2017/05/04
多回路PID控制方案 为改善被控变量CV的动态性能 (1) 串级控制 (2) 前馈反馈控制 (3) 变比值控制 为满足工艺过程提出的特殊需要 (1) （液位与流量）均匀控制 (2) （两流量之间的）比值控制 (3) （两被控变量之间的）超驰控制或选择控制 (4) （两控制阀之间的）分程控制 (5) （主回路的）阀位控制
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）：
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 8
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。 11
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？
补偿方法之一：非线性阀 等百分比阀或对数阀 线性阀：
补偿方法之二：串级控制 特点：串级控制能克服因PV变化所导致的控制通道的非线性，但仍无法克服因RF变化所引起的非线性。为什么？
补偿方法之三：变比值控制 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，TC27所涉及的广义对象是近似线性的，即使RF发生大范围的变化？
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pH控制方案 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
常用多回路PID控制方案特点 为改善被控变量CV的动态性能 (1) 串级控制 (2) 变比值控制 为满足工艺过程提出的特殊需要 (1) （液位与流量）均匀控制 (2) （两流量之间的）比值控制 (3) （两被控变量之间的）超驰控制或选择控制 (4) （两控制阀之间的）分程控制 (5) （主回路的）阀位控制
控制系统设计习题 过程控制方案设计题