过程控制工程439

《过程控制工程》课程介绍课程教学目的使学生了解过程控制系统的设计目的与设计步骤以及具体实现掌握控制系统方块图描述法与过程对象建模方法面向工业过程的常规PID控制策略，掌握控制系统的分析、设计与实施技术了解先进控制算法，掌握其设计思想、概念、特点及适用场合课程的参考资料教材：戴连奎主编，过程控制工程（第三版）.北京：化学工业出版社，2012年8月主要参考资料：C.A.Smith，AutomatedContinuousProcessControl.NewYork：JohnWiley&Sons，Inc.,2002F.G.Shinskey，过程控制系统—应用、设计与整定（第3版）.北京：清华大学出版社，2004年5月考核说明原则：平时成绩50%，包括课堂提问、平时练习、综合练习；期末考试（闭卷）50%平时提问成绩（S1）按2~5分计（事先未请假缺课，按平时提问0分计）平时练习成绩（S2）按2~5分计（迟交一周减1分）综合练习成绩（S3）按4~10分计（迟交一周减1分，未交按0分计）平时成绩：本课程的基本任务针对连续被控过程，使学生掌握控制系统的分析、设计与实施技术与过程控制工程相关的技术

过程控制工程概论

戴连奎浙江大学工业控制研究所

2012/02/08概论内容控制系统与过程控制系统的概念过程控制的术语与目标过程控制系统的描述控制系统的分类常用控制算法系统与控制系统的概念系统控制系统举例讨论这两个概念?

控制系统的应用领域军事领域，例如：飞行控制机械工程，例如著名的离心式调速器（瓦特）电力电子过程工业（包括：石油、化工、冶金、制药、环保等）经济与管理系统，例如：CPI水平的控制其它领域…控制系统举例?过程控制系统的由来手动操作过程：

借助玻璃管液位计与“人眼”，测量储罐的液位；在“人脑”中比较实际液位与期望的液位；基于比较结果，“人脑”决定如何校正两者之间偏差；“手动”操作输出阀的开度以减少该偏差.目标：当输入流量改变时，通过调节出口阀开度，使储罐液位保持在其期望值附近。手动控制的局限性劳动强度大。对于上述例子，需要操作人员频繁地观察液位的变化，并及时采用合适的措施以消除偏差。操作的不一致性。对于出口阀如何调节，不同的操作人员会采用不同的决策。需要大量操作人员。对于大多数工业过程，需要控制的变量很多，因此需要大量的操作人员。生产效率难以提高，而生产成本难以下降。如何解决?自动控制系统的提出解决方案：设计一个控制系统以自动地实现上述控制任务，而不需要操作人员的干预。好处很多…所有控制系统都包含的三个基本部件：

传感变送器：控制系统的“眼睛”控制器：控制系统的“大脑”

执行机构：可直接受控制器的指挥，通常为调节阀。反馈控制过程借助于传感器，获得液位测量信号，再通过变送器将测量信号放大、并转换成控制器可接受的标准信号；控制器（有时也称“调节器”）接受该标准测量信号，并与其期望值进行比较；基于比较结果，控制器决定如何校正测量值与其期望值之间的偏差；基于决策结果，控制器给执行机构发出一个控制信号，让执行机构采用具体的动作。控制系统中的三个基本操作测量（Measurement）

借助于传感器与变送器，获取需要控制的变量的当前值决策（Decision）

基于需要控制的变量的测量值，控制器决定如何使该变量保持在其期望值动作/执行（Action）

作为控制器的决策结果，控制系统必须采用具体有效的动作，通常由执行单元（如控制阀）来完成。已实施的动作或行动应反过来影响测量信号。过程控制工程中的重要术语被控变量/受控变量(ControlledVariable，CV) 是指：必须保持在某一期望值的变量或工艺参数设定值/给定值(Setpoint，SP) 是指：被控变量的期望值操纵变量/操作变量(ManipulatedVariable，MV) 是指：控制系统直接可操作、并用于使被控变量保持在其设定值的其它工艺变量扰动/扰动变量(Disturbance，DV) 任意可能导致被控变量偏离其设定值的、而控制系统本身又无法干预的各种因素。过程控制系统的设计目标过程控制系统的设计目标是：对于任意的外部干扰（DV），通过调节操作变量（MV）以使被控变量（CV）维持在其设定值（SP）。过程控制系统为何如此重要？ 1)安全性.防止各种可能对操作人员或生产装置造成的伤害或损坏，并尽可能减少废水废气的排放以保护环境 2)产品质量. 3)生产成本的最小化.控制系统举例1.1

对于上述储气罐压力控制系统，请指出其CV、SP、MV、DVs，并给出其控制系统的方块图与设计目标。假设变量之间满足以下关系：现场讨论?例1.1的控制方块图#1指出该控制系统的操作变量与干扰?例1.1的控制方块图#2例1.1的控制方块图#3讨论其正确性例1.2:换热器出口温度控制系统问题：指出该系统的CV、SP、MV、DVs，并描述其方块图与控制目标?换热器温度控制系统方块图一般的反馈控制系统常用被控变量（CV）：某一工艺介质的温度、压力/差压、流量、液位/料位、成份含量、属性。一般的反馈控制系统控制器包括:硬件、系统软件与应用软件控制方案/算法及其实现HardwareofControllers模拟调节器(DDZ-II,III)数字控制器（也称“单回路/多回路控制器”）可编程逻辑控制器(Programmablelogiccontrollers，PLC)集散控制系统或称分布式控制系统（Distributedcontrolsystems，DCS）现场总线控制系统（Fieldbuscontrolsystem，FCS）过程自动化以太网(EthernetforProcessAutomation，EPA)控制系统分类（1）“定值控制”（也称“调节控制”）与”伺服控制”（也称“跟踪控制”） 举例：连续过程控制、间歇过程控制、飞行控制与制导。控制系统分类（2）：

前馈控制与反馈控制比较上述两种控制策略的优缺点前馈反馈控制举例控制系统分类（3）开关量控制与连续量控制 举例：定频空调与变频空调控制系统分类（4）连续时间控制与离散时间控制（也称“采样控制”,“数字控制”）

举例：计算机控制系统与模拟调节器控制系统分类（5）线性控制与非线性控制 举例：中和反应pH值控制控制系统分类（6）多输入多输出控制（Multipleinputmultipleoutput，MIMO),单输入单输出控制（Singleinputsingleoutput，SISO）与多回路控制 举例：精馏塔控制精馏塔多回路控制常用控制算法PID类（包括：单回路PID、串级、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：前馈、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。下一讲：过程动态特性分析过程特性分类

过程特性机理建模法

执行机构介绍

过程特性测试建模法

过程动态特性分析

内容过程特性分类

过程特性机理建模法

执行机构介绍

过程特性测试建模法

Summary一般的反馈控制系统

控制目标?被控过程动态特性的重要性不同的被控过程具有不同的特性很难改变广义的被控过程（包括测量与执行机构）很容易改变控制器参数控制工程师能做的就是调整控制器使其适合被控过程对于某一被控过程，最适合其特性的最简单的控制器是最好的控制器。被控过程的分类自衡过程/稳定对象

(1)单容过程 (2)多容过程非自衡过程

例如：某些液位对象与某些放热反应器被控过程举例#1该被控过程是稳定的，为什么?被控过程举例#2该被控过程是不稳定的，为什么?被控过程举例#3该被控过程是否是稳定的，为什么?获取过程动态特性的途径

基于过程动态学的机理建模

根据某一被控过程的化学与物理机理，基于物料平衡、能量平衡与过程动力学等方程，来描述过程输入与输出之间的动态特性。基于过程数据的测试建模 为获取过程动态特性，手动改变某一被控过程的输入，同时记录过程输入输出数据；并基于过程数据建立输入与输出之间动态模型。建模举例#1（p.28）物料平衡方程：问题讨论：如何采用SimuLink建立被控过程的仿真模型并设置初始运行状态?

出口流量与液位的关系：对于该液位受控过程，选择h2

为其被控变量（CV），

并选取

Qi

为操作变量（MV），而Qd

为主要干扰。各贮罐出口流量满足以下方程：

建模举例#2试建立该过程的动态方程以描述CV与MV、DV之间的关系，并构建Matlab/SimuLink仿真模型。

建模举例#2（续）物料平衡方程：出口流量与液位的关系：单容过程举例#1单容过程举例#2单容过程举例#3多容过程举例#4描述过程特性的关键参数过程增益（K）

过程输出（响应输出）的变化量与过程输入（施加激励）的变化量的比值，即过程一阶时间常数（T）过程纯滞后时间（τ）过程增益计算举例#1过程增益计算举例#2过程增益计算举例#3过程增益备注过程增益描述了稳态条件下，过程输出对输入变量变化的灵敏度。被控过程增益包括三部分：符号、数值与单位。过程增益只涉及两个稳态，因此说过程增益反映了被控过程的静态或稳态特性。有时，也称“静态/稳态增益”。过程一阶时间常数（T）

基本定义

对单容过程而言，过程一阶时间常数定义为

过程输出开始变化至达到全部变化的63.2%所需的时间.过程纯滞后时间（τ）基本定义

过程纯滞后时间定义为

过程输入施加激励至过程输出开始变化所需的时间.关于过程特性参数

K,T,τ这三个参数的取值描述了一个实际被控过程的基本特性，其中

K

反映静态特性，而T、τ反映了过程的动态特性。

由于绝大多数工业过程为非线性对象，即使对于同一被控过程，上述参数也将随工况的变化而变化。对象两时间参数的比值（τ/T）直接关系到控制系统的可控性。τ/T越大，控制难度越大。多容过程数学模型的描述多阶模型二阶加纯滞后模型一阶加纯滞后模型实际工业过程的动态特性绝大多数被控过程为自衡对象（除部分液位对象外），因此均可用上述特性参数描述。所有被控过程均具有一定范围的纯滞后。被控过程的阶跃响应经常是单调且缓慢的（响应时间通常为分级、部分流量对象为秒级）由于被控过程的非线性，上述特性参数的取值通常与操作工况有关。换热器温度控制系统

过程描述与信号流程图?温度控制系统的信号流程图电气转换器

基本功能：

将4-20mA电流信号转换成0.02-0.10MPa的标准气动信号0.14MPa气动调节阀的工作原理功能：根据阀头气压的大小，通过阀杆改变阀体中阀芯的位置，进而调节流经阀体的流体流量。控制系统“广义对象”的概念“广义对象”包括控制回路中除控制器外的每一部分。它反映了控制器输出对CV测量输出的影响。获取过程动态特性的途径

基于过程动态学的机理建模

根据某一被控过程的化学与物理机理，基于物料平衡、能量平衡与过程动力学等方程，来描述过程输入与输出之间的动态特性。基于过程数据的测试建模 为获取过程动态特性，手动改变某一被控过程的输入，同时记录过程输入输出数据；并基于过程数据建立输入与输出之间动态模型。广义对象的特性参数

广义对象过程增益（Kp）

传感变送器输出（即广义对象输出）的稳态变化量与控制器输出（即广义对象输入）的稳态变化量之比值过程时间常数（Tp）过程纯滞后时间（τp）对象特性的阶跃响应测试法借助于阶跃响应试验，获取过程输入输出CO（控制器输出）与TO（变送器输出）的动态响应数据。 (1)将控制器改为“手动”操作模式； (2)以阶跃方式，改变控制器输出； (3)记录控制器输出与变送器输出响应数据。基于过程测试数据，估计广义对象的特性参数

换热器温度控制系统的

开环阶跃响应基于阶跃响应的特性参数计算基于阶跃响应的特性参数计算假设温度变送器的检测量程为100~300℃，即变送器输出变化为4%。则广义对象的增益为

小结过程工业中被控对象动态特性的特点

过程特性机理建模法过程特性测试建模法 “广义对象”的概念，与如何基于过程阶跃响应来建立输入与输出之间动态模型。被控过程的特性参数

自衡过程的三参数描述法，掌握过程特性参数的物理意义与估计方法问题讨论与练习对于某一对象特性未知的被控过程，相应的阶跃响应如下列仿真曲线给出。试计算其广义对象的特性参数

K,T,τ。下一讲预习讨论题控制阀分气开、气关阀，它们的物理意义是什么？气开/气关阀的使用场合？反馈控制器正反作用的定义是什么？针对具体对象，如何选择控制器正反作用？如何评价一个控制系统的品质（定性与定量）？描述P,PI与PID控制器的输入输出关系对于常见的被控过程，为什么采用P控制器会产生余差而采用PI控制器能消除余差？为什么PID控制器中的微分作用在实际过程中使用的不多？

PID反馈控制器预习讨论题控制阀分气开、气关阀，它们的物理意义是什么？气开/气关阀的使用场合？反馈控制器正反作用的定义是什么？针对具体对象，如何选择控制器正反作用？如何评价一个控制系统的品质（定性与定量）？描述P,PI与PID控制器的输入输出关系对于常见的被控过程，为什么采用P控制器会产生余差而采用PI控制器能消除余差？为什么PID控制器中的微分作用在实际过程中使用的不多？

内容控制阀的作用选择反馈控制器的正反作用

过程控制系统的性能指标

了解P,PI与PID控制器的功能

问题讨论

分析下列两控制阀的差别

#1控制阀#2控制阀控制阀的气开气关特性1.气开阀与气关阀*气开阀：pc↑→f↑(“有气则开”,“无气则关”)*气关阀：pc↑→f↓(“有气则关”,“无气则开”)无气源（pc=0）时，气开阀全关，气关阀全开。2.控制阀气开/气关特征的选择——安全性*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，如放热反应器冷却水阀。控制阀气开气关特性

选择举例例1例2控制器的“正反作用”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：（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，并确定回路广义对象的作用方向，再确定控制器的正反作用。控制器正反作用的选择问题：（1）正作用与反作用控制器的定义？（2）如何使控制回路成为“负反馈”系统?控制器正反作用选择举例#1考虑到控制系统在断电断气情况下的安全性，蒸汽阀应为气开阀，因此u↑→RV↑假设控制器TC22为正作用。

如果T↑,则结论：为使控制回路成为“负反馈”系统，TC22须为 反作用控制器。控制器正反作用选择举例#2冷却水阀须为气关阀，因此u↑→（冷却水量）Fw↓假设TC25为正作用控制器，如果

T↑，则结论：TC25须为反作用控制器有无其它更简单方法?基于回路分析法

控制器正反作用选择举例#1

步骤1：画控制回路方块图，并标注广义对象的正反作用步骤2：由广义对象正反作用决定控制器正反作用以构成负反馈回路(+)TC22为反作用控制器基于回路分析法

控制器正反作用选择举例#2(+)TC25为反作用控制器。为什么？

过程控制系统的性能指标余差：

衰减比：振荡周期：调节时间（也称过渡过程时间）

ts什么是最好的系统响应?

纯比例控制器KC

被称为控制器增益。增益Kc对控制器输出的影响Kc反映了控制器输出对控制误差的灵敏度P控制回路的仿真结果Fi(t)在10min时，从10升/min阶跃增加至11升/min仿真结果分析比例增益对控制性能的影响纯比例控制器只有一个可调参数Kc。其最大问题是总存在不同程度的余差，即CV难以完全跟踪其SP。对于某一给定的阶跃扰动，余差的大小取决于比例增益大小。增益越大，余差越小。

当Kc超过某一临界值，大多数控制系统会变为不稳定。比例带的概念定义：比例带是指使控制器输出CO全范围变化所对应的控制误差的比例。比例积分(PI)控制器Ti

被称为积分时间，单位：min或secondPI控制回路的仿真结果Fi(t)在10min时，从10升/min阶跃增加至11升/min仿真结果分析积分作用对控制性能的影响PI控制器有两个可整定参数：控制增益（或比例带）与积分时间（或积分速率1/Ti），其最大的优势是可消除余差。（为什么？）PI控制器的不足之处在于：由于积分作用的引入，使控制系统的稳定性下降。具体地， 积分时间Ti越短，积分速率1/Ti

越大，积分作用越强，闭环系统消除余差的速度越快，但控制系统的稳定性越弱。（原因分析）PID（比例-积分-微分）控制器Td

为微分时间理论PID控制器（实际应用存在什么问题？）工业PID控制器Ad

被称为微分增益。工业PID控制器的输入输出响应讨论Td、Ad

对控制器输出的响应PID控制回路的仿真实验Ti(t)在10min时，从50℃阶跃增加至60℃。仿真结果分析微分作用对控制性能的影响PID控制器有三个可整定参数：控制器增益、积分时间与微分时间。微分作用的引入可使控制器具有超前预测作用。PID控制器主要适用于具有较长时间常数、且测量噪声较少的慢过程，例如：温度与成分控制回路。对于噪声水平较高的快速过程，例如流量与压力回路，微分作用的引入将放大噪声，因此不宜使用。问题讨论如何评价一个控制系统的品质（定性与定量）？描述P,PI与PID控制器的输入输出动态响应。对于一般的PID控制器，如何通过改变控制参数使其成为PI或P控制器？对于常见的被控过程，为什么采用P控制器会产生余差而采用PI控制器能消除余差？工业PID控制算法不同于理论PID算法，为什么？为什么PID控制器中的微分作用在实际过程中使用的不多？

PID控制器参数整定PID（比例-积分-微分）控制器理论PID控制器工业PID控制器（如何构造其仿真模型？）Ad

为微分增益,通常Ad=10。单回路PID控制系统应用问题对于某一动态特性未知的广义被控过程，如何选择PID控制器形式，并整定PID控制器参数?内容PID控制器类型的选择控制器参数整定的一般方法

流量控制回路的PID参数整定方法液位均匀控制系统的PID参数整定

积分饱和与防止

SummaryPID控制器类型选择*1:

对于某些具有较长时间常数的慢过程，建议引入微分作用。但若存在较大的测量噪声，需要对测量信号进行一阶滤波或平均滤波分析上述选择原因?被控过程控制器类型温度/成份PID*1流量/压力/液位PI部分液位PPID参数整定的概念基于过程特性参数K,T,τ的

离线参数整定法步骤1：将控制器从“自动”模式切换至“手动”模式（此时控制器输出完全由人工控制），人为以阶跃方式增大或减少控制器输出，并记录控制器相关的输入输出动态响应数据。步骤2：由阶跃响应数据估计特性参数

K,T,τ。步骤3：按经验公式设定PID参数Kc、Ti、Td，并将控制器切换至“自动”模式。步骤4：根据系统闭环响应情况，增大或减少控制器增益Kc直至满意为止。离线整定仿真举例

步骤1：阶跃响应测试步骤2：获取过程参数步骤3：获取初始PID参数

(Ziegler-Nichols

方法)控制器类型KcTiTdP∞0PI0PID注意：上述整定规则仅限于取值步骤3：获取初始PID参数

(Lambda整定法)控制器KcTiTdP∞0PIT0PIDTτ/2注意：上述整定规则不受τ/T取值的限制仿真举例#1广义对象特性参数：K=1.75T=6.5,τ=3.3min若采用PI控制器，Z-N法：Kc=1.0,Ti=11minLambda法：Kc=0.56,Ti=6.5min仿真举例#2广义对象特性参数：K=1.75T=6.5,τ=6.3min若采用PI控制器，Z-N法：Kc=0.53,Ti=20.8minLambda法：Kc=0.30,Ti=6.5minPID参数在线整定法步骤1：将在线闭环运行的控制器，完全去除积分作用与微分作用（Ti

=最大值，Td=0）成为纯比例控制器，并设置较小的

Kc

值。步骤2：施加小幅度的设定值或扰动变化，

并观察CV的响应曲线。步骤3：若CV的响应未达到等幅振荡，则增大Kc（减少比例带PB）；若CV响应为发散振荡，则减少Kc。重复步骤2。步骤4：重复步骤3，直至产生等幅振荡。在线整定仿真举例在线整定准则：

Ziegler-Nichols法控制器KcTiTdP0.5KcuPI0.45KcuTu/1.2PID0.65KcuTu/2Tu

/8由纯比例控制下的等幅振荡曲线，获得临界控制器增益

Kcu与临界振荡周期Tu，并按下表得到正常工作下的控制器参数。在线整定仿真举例在线整定法的局限性分析未知过程的PID参数整定举例流量回路的动态特性动态响应的快速性纯滞后时间接近零，即从理论上讲控制器增益可无限大测量噪声大为减少控制阀的频繁波动，宜采用PI控制器，而且控制增益应小、而积分作用应大（即接近纯积分控制器）（为什么？）流量回路的控制参数选择Ti

整定原则：

Ti=0.10min或Ti=0.05minKc

整定原则：

控制增益可人工调整，但对于设定值的阶跃变化，实际流量不应出现超调。.流量回路整定仿真举例请比较控制器的比例增益与积分增益分析下列液位控制问题的不同点液位回路的动态特性不少液位对象为非自衡的积分过程，无法进行阶跃响应测试。当进料流量变化为主要扰动时，对于液位控制回路，可能存在两种不同的控制目标

(1)常规液位控制，也称“紧液位控制”； (2)液位均匀控制，也称“平均液位控制”常规液位控制控制目标是使液位与其设定值的偏差尽可能小，而对MV（如输出流量）的波动无限制。假设该液位过程为自衡过程，则可采用阶跃响应获取K、T、τ，并可采用常规的参数整定法假设该液位过程为非自衡过程，常采用PI控制器，而且控制增益大、积分作用弱（即接近纯比例控制器）（为什么？）液位均匀控制控制目标是使操作变量（如储罐输出流量）尽可能平缓，以减少对下游装置的干扰，而允许贮罐液位在上下限之间波动。液位均匀控制常采用比例控制器（在实际应用中，可采用PI控制器，并选择积分时间足够大，以减少积分作用）。比例增益的整定原则：比例增益应尽可能小，只要液位的波动幅度不超过允许的上下限（对于可能的大幅度输入流量干扰）。液位控制仿真举例液位均匀控制系统的分析假设被控过程的动态方程为其中

A

为储罐的截面积。假设液位变送器LT41与控制阀满足液位均匀控制系统的分析（续）对于某一纯比例控制器,Gc=－Kc,试分析上述模型参数对动态特性的响应纯比例液位均匀控制的仿真PID控制器的积分饱和问题积分饱和问题的由来单回路PID控制器的

积分饱和现象讨论以下现象：（1）控制器的积分饱和现象（2）控制阀全开或全关单回路控制的抗积分饱和原理原理：当控制器输出超出正常操作范围时，将积分作用切除。抗积分饱和仿真举例工业单回路PID控制器PID1PID2小结PID控制器类型的选择控制器参数整定的一般方法

流量控制回路的PID参数整定方法液位均匀控制系统的PID参数整定

单回路控制的积分饱和现象及其防止

问题讨论对于某一动态特性未知但开环稳定的温度控制系统如何整定PID控制器参数（离线或在线方式）？试用Simulink仿真模型，近似实现工业PID控制器的外部特性？对于快速的流量控制回路，请给出PID参数的整定原则，并解释原因。对于液位均匀控制回路，它与一般的液位控制有何区别？请给出PID参数的整定原则，并解释原因。试描述单回路控制系统的积分饱和现象，解释其产生的原因，并给出相应的防积分饱和方案。数字控制系统

与数字PID控制器上一讲问题讨论对于某一动态特性未知但开环稳定的温度控制系统如何整定PID控制器参数（离线或在线方式）？试用Simulink仿真模型，近似实现工业PID控制器的外部特性？对于快速的流量控制回路，请给出PID参数的整定原则，并解释原因。对于液位均匀控制回路，它与一般的液位控制有何区别？请给出PID参数的整定原则，并解释原因。试描述单回路控制系统的积分饱和现象，解释其产生的原因，并给出相应的防积分饱和方案。内容数字控制系统的概念数字滤波器的选择

数字PID控制算法及其改进型

集散控制系统（DCS）简述小结数字控制系统

与模拟控制系统的组成模拟控制系统数字控制系统数字控制器内部结构举例常用数字滤波器中值滤波器平均滤波器：加权平均滤波器一阶滤波器：试比较上述滤波器的特点与应用场合数字PID位置式理论PID模拟算式数字PID位置式：数字PID增量式数字PID位置式：数字PID增量式：微分先行的数字PID增量式常规的数字PID增量式：微分先行PID增量式：抗积分饱和的数字PID增量式常规的数字PID增量式：抗积分饱和的PID增量式：工业数字PID模块问题讨论：（1）程序实现；（2）手/自动无扰动切换；（3）抗积分饱和集散控制系统结构

(DCS，DistributedControlSystems)分散控制意义分析?为什么DCS广受欢迎?单回路PID控制小结过程动态特性的描述与获取气开/气关控制阀与PID控制器正反作用的选择PID控制器类型的选择PID控制参数的整定（离线法与在线法）流量控制回路的特殊性与控制参数整定液位均匀控制回路的控制目标与参数整定单回路控制中的积分饱和现象及其防止数字PID控制算法串级控制系统单回路PID控制系统小结过程动态特性的描述与获取气开/气关控制阀与PID控制器正反作用的选择PID控制器类型的选择PID控制参数的整定（离线法与在线法）流量控制回路的特殊性与控制参数整定液位均匀控制回路的控制目标与参数整定单回路控制中的积分饱和现象及其防止数字PID控制算法内容串级控制的引入与基本概念串级控制系统的特性分析串级控制的设计原理与副参数的选择串级控制器的实现与参数整定步骤加热炉出口温度控制仿真举例串级控制中的积分饱和现象及其防止加热炉出口温度单回路控制MV：燃料气流量，CV：工艺介质炉出口温度控制阀：气开阀（为什么？）TC23的正反作用如何选择？扰动分析单回路控制过程分析问题：从扰动进入到反馈控制器开始响应，所需信息传递路线远、传递时间长。如何改进？假设燃料气的入口压力（即阀前压力）↑→即使u(t)不变，燃料气流量↑→（经燃烧过程）炉膛温度

↑→工艺介质炉出口温度T

↑→（借助于测量反馈控制）CO↓串级控制思想的引入燃料供应系统的波动首先影响燃料气流量

Fgas

，然后再影响工艺介质炉出口温度。

基本思想：一旦感受到Fgas的变化，在T开始变化以前，就应当调整燃料阀的操作。

具体实现：该校正动作采用Fgas为中间变量来尽早感受干扰，并通过调节MV以减少干扰对CV的影响。如何减少

Pgas变化对炉出口温度的影响?一种炉出口温度串级控制方案(1)该方案由两个传感变送器、两个控制器和一个控制阀组成。

(2)该方案有两个控制回路，其中一个用于控制

T，而一个用于控制

Fgas.为何叫“串级控制”？注：燃料气流量只是用作中间辅助变量，以改善CV的控制性能。

试画出上述串级控制系统的方块图?工艺介质炉出口温度

串级控制方块图这里，TC23被称为“主控制器”，而FC13被称为“副控制器”；D1

表示了各种直接进入外回路的干扰，D2

表示了各种直接进入内回路的干扰。干扰举例？串级控制中的常用术语

以传递函数形式表示的

串级控制系统方块图注：D1

反映了各种外回路干扰对主参数的综合影响，D2

反映了各种内回路干扰对副参数的综合影响。试指出主副回路所对应的“广义对象”？内回路的等价变换与

“广义控制阀”概念串级控制中副回路特性分析副回路（或称内回路）通常响应迅速，并能有效克服内回路干扰对主参数的影响副回路能显著减少控制阀与副对象的非线性。为什么?串级控制中副参数的选择原则对于某些干扰，副参数应比主参数更快地感受到其变化，而且“越快越好”

副回路应尽可能多地包含主要干扰，而且“越多越好”如果可能，副回路应包含一些非线性对象。常见的串级回路：温度-流量、温度-压力、浓度-流量、浓度-温度、液位-流量、温度-温度等。串级控制副参数选择举例讨论副回路的响应速度与包含的内回路干扰?方案#1方案#2串级控制器类型选择副控制器（也称内回路控制器）通常采用PI控制律

原因：需要对内回路干扰具有快速调节能力

（强比例作用+弱积分作用，为什么？）主控制器通常选用PID控制律（液位串级控制除外）

通常主对象的响应速度缓慢，并带有较显著的纯滞后，主控制器经常引入微分作用。

串级控制器参数整定步骤#1设置主控制器至“手动”方式，参照单回路整定方式整定副控制器PID参数。具体步骤讨论？串级控制器参数整定步骤#2将副控制器切换至“自动”，并以阶跃方式手动改变主控制器的输出（即副控制器的设定值），记录主回路“广义对象”的输出输出数据；并获取主对象对应的动态特性参数。串级控制器参数整定步骤#3参照单回路离线方式整定主控制器PID参数，并将主控制器切换至“自动”。结合主控制器给定值阶跃响应，适当调整主控制器增益，直至满意。仿真举例串级控制方案单回路控制方案被控过程仿真模型的建立线性与非线性动态模型的描述方法炉出口温度单回路控制系统动态模型参数确定初始条件 Kgas=0.4，u0=60%，Pgas0=0.25MPa，Fgas0

=12T/hr，T0=300℃，Ti0=120℃

测量仪表量程（即测量范围）

燃料气流量：0~40T/hr， 工艺介质炉出口温度：200~400℃

动态参数

Tf1=2min，K1=5，T1=10min，τ1=5min，K2=1，T2=1min，Tm1=2min，Tm2=0.2min

炉出口温度单回路控制仿真炉出口温度串级控制系统炉出口温度串级控制仿真建立相应的SimuLink模型，并讨论参数整定问题炉出口温度串级与单回路控制

仿真结果比较串级控制中的积分饱和现象串级控制中的抗积分饱和方法多层串级控制系统举例讨论设计原理与参数整定步骤换热器出口温度

串级控制方案比较方案#1方案#2方案#3小结串级控制的引入与基本概念串级控制系统的特性分析串级控制的设计原理与副参数的选择串级控制器的实现与参数整定步骤串级控制中的积分饱和现象及其防止问题讨论串级控制系统在过程工业中获得了广泛应用，原因何在？何时我们可采用串级控制方案?串级控制参数如何整定？串级控制中也存在积分饱和现象，原因分析，并提出防止措施。串级控制与单回路控制、前馈反馈控制有何异同?下一讲预习：前馈与比值控制前馈控制串级控制中积分饱和现象讨论串级控制中的抗积分饱和方法换热器出口温度

串级控制系统讨论问题：（1）控制阀气开/气关型式选择（2）系统方块图描述（3）主副控制器正反作用选择（4）主副控制器参数整定方法与步骤内容前馈控制的概念线性前馈控制器的设计非线性前馈控制器的设计前馈控制器的设计举例前馈反馈控制策略仿真举例小结问题讨论某一换热器如右图所示，要求采用蒸汽流量RV控制工艺介质的出口温度

T2。试依据下列情况设计相应的控制方案：情况#1：工艺介质流量

RF

与蒸汽入口压力

PV

均比较稳定；

情况#2：RF

稳定，而

PV

变化频繁；

情况#3：RF

变化频繁，而

PV

比较稳定；情况#4：RF

与PV

均变化频繁。

反馈控制与前馈控制方案举例反馈控制方案前馈控制方案前馈控制的一般概念D1(t),…,Dn(t)表示某些可测量、且对被控变量CV影响显著的干扰

前馈控制的基本原理：在这些可测干扰影响CV以前，同时调节操作变量MV以抵消这些干扰的影响，最终使CV维持不变或基本不变。线性前馈控制器的设计设计目标：线性前馈控制器设计（续）前馈控制器设计公式：设计目标：线性前馈控制器设计（续）(为什么?)前馈控制器设计公式：物理意义分析前馈控制器的类型静态前馈控制与动态前馈控制线性前馈控制与非线性前馈控制讨论常见的前馈控制器类型换热器出口温度

线性前馈控制的仿真结果详见仿真模型…/FFControl/ExHeaterLinearFFC.mdl非线性静态前馈控制方案静态数学模型讨论上述非线性前馈控制器的实现非线性静态前馈控制仿真试建立换热器出口温度前馈控制系统的仿真模型前馈控制与反馈控制的比较前馈控制反馈控制相关干扰可测量CV可测量基于干扰操作MV基于CV控制误差操作MV开环，无稳定性问题闭环，稳定性至关重要只有部分干扰可检测全部干扰均通过CV可感受控制通道与相关干扰通道的精确数学模型均需要获得不需要对象的数学模型不适合于非线性、时变系统可适合于非线性、时变系统换热器前馈反馈控制方案#1FFC输出初值如何设置？换热器前馈反馈控制方案#2控制器参数如何整定？小结可能引入前馈控制的场合

(1)基本的被控变量不可测

(2)基本的被控变量可测，但某些干扰太强以至于反馈控制系统难以满足工艺要求运用前馈控制的条件

(1)主要干扰是可测的

(2)干扰通道的响应速度低于控制通道的响应速度

(3)干扰通道与控制通道的动态特性几乎是不变的，或者是可抵消的比值控制内容比值控制的概念比值控制方案设计锅炉中的空燃比双交叉比值控制小结混合过程的

控制问题与解决方案问题：当NaOH流量QB变化时，如何通过调节水量QA来维持混合液的浓度在6~8%解决方案：(1)通过测量混合液的浓度，并采用单回路反馈控制来满足上述要求；(2)不直接控制混合液浓度，而是采用输入流量比值控制来间接达到上述要求（即前馈控制方案）一般的流量比值控制问题控制问题：通过操作流体A的流量QA以维持两流量的比值不变，即

QA

/QB

=KAB,即使流体B的流量QB变化。流体B可被称为主动流体，而流体A可称为被动流体。比值控制方案#1稳态条件：假设两流量变送器均为线性，其输出为0~100%，仪表量程分别为[0,QAmax]、[0,QBmax]比值控制方案#2稳态条件：比值控制方案#3稳态条件：QA,sp=

QA,m对于以%为单位的数字仪表，乘法器输出为讨论：与方案#1的异同比值控制方案#4稳态条件：Rsp

=Rm而除法器输出为但该流量回路存在很强的非线性。为什么?双闭环比值控制方案比值控制单回路控制比较变比值控制方案举例由于换热器的稳态方程为假设主要干扰来自于PV,RF；如何改善换热器出口温度的控制性能?基本锅炉控制问题设计控制系统以满足（1）安全性： 液位控制、空气/燃料流量比值控制（2）满足用户需求：

蒸汽压力控制（3）有效且经济燃烧 空气/燃料比值稳态时基本不变，动态时空气富裕锅炉空燃比控制方案#1方案特点：并行控制（即设定值比值），手动调节空燃比值适用条件？存在哪些问题？锅炉空燃比控制方案#2方案特点：外比值控制手动调节空燃比值锅炉空燃比控制方案#3方案特点：内比值控制手动调节空燃比值与方案2的区别仍存在问题否？锅炉空燃比控制方案#4双交叉控制手动调节空燃比值分析其工作原理（1）KFA如何设定（2）稳态条件（3）蒸汽用量增加或减少时，控制系统的响应过程锅炉空燃比控制方案#5带有O2调节的双交叉控制小结比值控制的概念几种常用的比值控制方案比值控制系统中比值系数的确定详见讨论了锅炉空燃比双交叉比值控制的应用背景与工作原理超驰控制与选择控制问题讨论某一锅炉的空燃比双交叉控制方案如右图所示。假设FT23、FT24均为质量流量仪，且仪表量程分别为0–5T/hr、0–100T/hr。假设希望的空气燃料质量比为18:1。试回答：（1）KFA如何设定（2）稳态条件（3）蒸汽用量增加或减少时，控制系统的响应过程氨冷却器

单回路控制存在的问题内容超驰控制（也称约束控制）问题约束控制方案的设计约束控制中的积分饱和及其防止（被控变量）选择控制方案举例1：

缓冲罐与流量控制回路如何避免液位低于hmin

?超驰控制问题的提出

在超驰控制（也称“选择控制”、“约束控制”）系统中，仅有一个操作变量MV，但有两个或两个以上被控变量CVs，其中一个常规的CV，要求一直维持在其设定值（属精确控制）；其余均为辅助CVs，要求维持在一定的操作范围（某一上下限之间）内以确保安全。缓冲罐液位与流量控制

的兼顾问题如何避免液位低于hmin

?控制方案#1引入自动开关SW?试分析两控制器的正反作用，并比较正常操作情况下两控制器输出信号的大小。控制方案#2（1）试给出该超驰控制系统的方块图（2）如何保证两回路切换过程的平稳?LS:

低选器（LowSelector）u(t)=min(u1,u2)流量液位选择控制系统方块图流量液位超驰控制方案RFB：外部积分反馈(externalresetfeedback）LS:

低选器（LowSelector）u(t)=min(u1,u2)超驰控制中的抗积分饱和特点分析：只有处于闭环条件下的控制器才有积分作用，而非活动控制器只是跟踪活动控制器的输出。讨论正常工况下与液位过低情况下，该控制系统如何工作？氨冷却器

单回路控制存在的问题如何避免氨冷却器液位超过其上限?氨冷却器工艺介质

出口温度的串级控制系统注意：TC31的输出必须加以限幅，具体限幅值与工艺要求及LT25测量范围有关。为什么？氨冷却器工艺介质

出口温度的超驰控制方案讨论控制方块图控制器正反作用选择选择器能否选择高选器？抗积分饱和措施氨冷却器工艺介质

出口温度单回路控制仿真单回路控制仿真结果氨冷却器出口温度

（带RFB）超驰控制系统仿真带RBF的超驰控制系统仿真（被控变量）选择控制举例分程控制与阀位控制

内容分程控制的概念与方法分程控制的应用举例—间歇反应器与储罐气封控制阀位控制方案与应用举例间歇放热反应器的控制问题工艺背景：在反应开始时需要用蒸汽加热，以达到一定的反应速度；而当反应正常进行时，需要用冷却水进行冷却，以防止反应温度超高。控制目标：希望实现反应温度全过程的自动控制分程控制的基本设计思想

在分程控制系统中，仅有一个被控变量CV，但通常有两个操作变量MVs。分程控制的基本设计思想是，将两个MVs（或两个控制阀）合并成一个MV，再按单回路方式进行控制；“分程”是指将控制器输出信号按范围划分成几段，其中每一段只调节一个控制阀的开度（另一控制阀的开度保持不变）。间歇放热反应器分程控制方案常规线性控制阀的特性正常情况下，当电气转换器输出p全范围变化（0.02~0.10MPa）时，控制阀从全关至全开或从全开至全关。分程控制的内部结构上例中当输出p从0.02变化至0.06MPa时，VA就可全范围变化（此时，VB开度不变）；而当输出p从0.06变化至0.10MPa时，VB就可全范围变化（此时，VA开度不变）通过手工调节阀门定位器，使控制阀全范围所需的控制信号变窄。双控制阀的分程组合

间歇放热反应器

分程控制系统设计分析问题讨论选择两控制阀的气开/气关形式；两控制阀如何分程协调工作？画出该控制系统的方块图间歇放热反应器

分程控制系统方块图确定TC34的正反作用；当反应器温度为常温时，试确定两控制阀的初始状态？分析该控制系统如何具体工作？油品罐顶封氮分程控制方案问题讨论两控制阀如何分程协调工作？画出该控制系统的方块图，并确定压力控制器的正反作用；如何避免进气阀与排空阀的频繁切换，以节省氮气用量？炼厂催化裂化装置

主分馏塔的灵敏板温度控制问题：当回炼油循环量不足时，TT203难以得到有效的控制？阀位控制（VPC）系统的应用讨论确定VPC203的正反作用；分析该控制系统如何具体工作？该控制方案与温度流量串级控制方案有何不同？多回路PID控制方案总结为改善被控变量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 控制系统设计举例氨冷却器工艺介质出口温度

超驰控制方案讨论控制方块图控制器正反作用选择比较正常工况下，TC31与LC25的输出大小解释RFB的物理意义与TC31、LC25的内部结构该系统如何实现抗积分饱和？油品罐顶封氮

分程控制方案讨论画出该控制系统的方块图，并确定压力控制器的正反作用；常用的两控制阀分程组合方式有4种，这里选择哪一种方式？如何避免进气阀与排空阀的频繁切换，以节省氮气用量？控制系统综合设计举例

该放热反应为A+B→C。试改进现有的单回路控制方案。具体的控制目标包括：(1)FB/FA=R(2)冷却水温度波动较大时，如何改善TT17的控制性能？(3)当冷却水系统的冷量不足时，如何控制TT17不超温比值控制方案1该比值控制系统是否可靠?比值控制方案2比值控制方案3反应器温度

串级控制方案#1反应器温度

串级控制方案#2反应器温度

串级控制方案#3反应器温度

串级控制方案#4对于控制问题（3）的分析若冷却系统未能提供足够的冷量，此时该如何控制反应温度TT17？(1)控制系统如何能发现现有的冷却系统未能提供足够的冷量？(2)在这种异常工况下，如何能避免反应器温度的进一步上升？反应器温度串级控制方案控制系统如何能发现现有的冷却系统未能提供足够的冷量？选择控制方案的引入#1该控制系统是否可靠?选择控制方案#2控制系统设计与实施步骤了解被控过程的工艺原理与操作目标确定控制目标寻找合适且经济的测量仪表与操作变量设计基本的控制方案（从简单到复杂）构造简单的仿真模型，并对设计的控制系统进行评价测量仪表、控制仪表或装置的选购控制系统的现场实施，包括系统联调、PID参数整定、系统评估与完善等对象非线性增益补偿非线性增益补偿问题讨论 (1)对于换热器工艺介质出口温度控制系统而言，可能存在哪些导致控制通道非线性的因素？如何补偿这些非线性因素？

(2)分析中和反应pH控制困难的原因，并提出改进方案

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

线性阀：等百分比阀或对数阀控制阀静态特性分析

（以气开阀为例）

线性阀假设

等百分比阀补偿方法之二：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）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。（为什么？）pH中和过程的工艺原理反应方程式：化学平衡：pH的定义：pH=－lg[H+]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60min时）F1:30↓15L/min（在110min时）pH1:5↓4.5（在160min时）pH2:11↓10.5（在210min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60min时）F1:30↓15L/min（在110min时）pH1:5↓4.5（在160min时）pH2:11↓10.5（在210min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60min时）F1:30↓15L/min（在110min时）pH1:5↓4.5（在160min时）pH2:11↓10.5（在210min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60min时）F1:30↓15L/min（在110min时）pH1:5↓4.5（在160min时）pH2:11↓10.5（在210min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+控制器增益调整广义对象纯滞后补偿内容纯滞后对控制性能的影响用于纯滞后补偿的Smith预估器改进的Smith纯滞后补偿器仿真举例问题讨论(1)对于下列两个广义对象，试搭建Simulink模型，并比较常规PID控制性能；(2)对于纯滞后相对较大的被控对象，你能否提出一些补偿方法?过程模型：常规PID控制系统问题：采用Ziegler-Nichols或Lambda

整定法确定PID参数，并比较其数值大小过程模型：仿真例子#1对于PID控制器,Z-N整定法：Kc=1.2,Ti=4min,Td=1minLambda整定法：Kc=0.83,Ti=4min,Td=1min仿真例子#2对于PID控制器,Z-N整定法：Kc=0.3,Ti=16min,Td=4minLambda整定法：Kc=0.2,Ti=4min,Td=4minSmith补偿的基本思路（1957）基本Smith预估器基本Smith预估器#2Smith预估器的仿真结果

（对象特性与模型一致时）基本PID控制器：Kc=0.2,Ti=4min,Td=1minPID+Smith:Kc=2,Ti=4min,Td=1minSmith预估器的仿真结果

（对象特性与模型不一致时）基本PID控制器：Kc=0.2,Ti=4min,Td=1minPID+Smith:Kc=2,Ti=4min,Td=1min改进的Smith预估器预测误差滤波器：改进Smith预估器的仿真结果

（对象特性与模型不一致时）PID+Smith:Kc=2,Ti=4min,Td=1min小结了解Smith预估器的设计思想，以减少纯滞后的影响指出Smith预估器的优缺点，当对象特性变化较大时，如何改进Smith预估器通过比较常规PID、

PID+

Smith预估器的控制性能，了解Smith预估器可能的应用场合。

下一讲：

多变量系统的耦合与解耦相对增益的概念相对增益矩阵的计算多变量系统CVs与MVs的配对原则基于文块图的线性解耦器设计基于过程机理的非线性解耦器设计应用举例问题讨论对于右图所示的两输入两输出被控系统，被控变量为C、F，操作变量为F1、F2，试设计控制方案。这里假设初态：多变量系统的关联分析问题讨论对于右图所示的两输入两输出被控系统，被控变量为C、F，操作变量为F1、F2，试设计控制方案。这里假设初态：多变量控制系统举例：

调合过程对于右图所示的双输入双输出被控过程，试提出最简单的控制方案。

方案#1：F1SP

F,F2SP

C;

方案#2：F1SP

C,F2SP

F.试比较这两个方案的优势调合过程多回路控制方案

#1调合过程多回路控制方案

#2多回路控制仿真结果

（u1-y1,u2-y2）为什么单回路控制与多回路控制存在这么大的差别？多回路控制仿真结果

（u1-y2,u2-y1）对于多回路控制，这一方案控制性能变得更差。为什么？仿真结果分析PID1是否投入“A”，对于控制器PID2而言，控制通道完全不同PID2对应的控制通道分析

情况#1：控制器PID1处于“手动”模式情况#2：控制器PID1处于“自动”模式PID2对应控制通道分析（续）情况#1：控制器PID1处于“M”模式情况#2：控制器PID1处于“A”模式单回路控制与多回路控制存在差别的根本原因在于：广义控制对象的稳态与动态特性存在显著的不同。相对增益的概念分析控制通道u2

y2的相对增益对于下列双输入双输出被控过程，稳态模型：2×2被控过程的相对增益概念开环增益K22闭环增益K’22相对增益的定义讨论其它通道的相对增益的定义?相对增益计算举例某一2×2被控过程以增量形式表示的稳态模型

计算其它通道的相对增益?2×2被控过程的相对增益计算假设稳态模型为μ11?相对增益矩阵的定义相对增益描述了其它控制回路对该对象稳态增益的影响。相对增益矩阵的计算举例以增量形式表示的稳态模型：相对增益矩阵存在什么规律?相对增益矩阵的性质相对增益矩阵的行或列的代数和均为1。2×2对象：3×3对象：

n×n

被控过程

相对增益矩阵的计算注：“●”表示两矩阵元素相乘，并非矩阵相乘。相对增益矩阵的计算举例以增量形式表示的稳态模型：相对增益的工程应用相对增益的意义CVs(被控变量)与MVs(操作变量)的配对应用举例对象#1：对象#2：讨论：该选择哪种变量配对？为什么?相对增益的意义：开环增益与闭环增益相等：开环增益很小或闭环增益很大：开环增益很大或闭环增益很小：开环增益与闭环增益的符号相反多变量系统的配对原则Bristol(1966)：为减少回路间的关联，选择的变量配对，应使其对应的相对增益尽可能接近１，须避免负值。对象#1：对象#2：讨论：该选择哪种变量配对？为什么?混合过程的变量配对分析稳态模型：问题：由于它是一个非线性模型，你如何分析回路间的关联?混合过程的变量配对（续）1.获取当前工况下的对象稳态增益：混合过程的变量配对（续）2.获取相对增益矩阵：混合过程的变量配对（续）3.基于相对增益矩阵的变量配对

若F1>F2，则正确的配对为F－F1,C－F2;

若F2>F1，则正确的配对为

F－F2,C－F1.若F2=F1,则正确的配对是什么？下一讲：多变量系统的解耦控制

何时需要引入解耦设计？基于方块图的线性解耦器设计基于过程机理的非线性解耦器设计应用举例解耦控制问题讨论对于右图所示的被控过程，CVs为C、F，MVs为F1、F2，试设计解耦控制方案，并进行Simulink仿真实验。这里假设初态：多变量系统的解耦控制调合过程控制系统的关联分析稳态模型：试描述并分析上述双回路之间的关联耦合?2×2关联系统的PID控制器

参数整定若某一控制回路的动态响应比另一回路快得多，则先整定快回路，而将另一回路设置为“手动”；然后，在快回路处于“闭环”条件下整定慢回路（即“先快后慢”）若两回路的动态响应速度接近，但某一被控变量较另一个CV更重要，则先整定重要回路；然后，在重要回路处于“闭环”下整定次要回路（即“先重要后次要”）。为减少对重要回路的影响，次要回路控制作用要弱。其它情况……2×2耦合系统

需要解耦设计的条件即使是最好的变量配对，仍存在强耦合，特别当相对增益远离“1”时；两回路动态特性接近，且两被控变量均同等重要。对象#1：对象#2：讨论：该选择哪种变量配对？是否需要解耦?解耦设计问题讨论对于右图所示的被控过程，CVs为C、F，MVs为F1、F2，试设计解耦控制方案，并进行Simulink仿真实验。这里假设初态：解耦器设计方法解耦器的设计原理基于传递函数矩阵G(s)的线性串级解耦器基于传递函数矩阵G(s)的线性前馈解耦器基于过程机理的非线性稳态解耦器解耦器设计原理设计解耦器以消除两回路间的交叉作用，即：2×2耦合系统

的串级解耦设计方案#1解耦条件?2×2耦合系统

的串级解耦器#2

若关于串级解耦器#2问题：（1）MVs初始值如何选取？（2）控制器“手动/自动”切换时或某一MVs受限时，上述系统如何工作？2×2耦合系统

的前馈解耦设计方案2×2耦合系统

的前馈解耦器设计动态解耦器：稳态解耦器：前馈控制与前馈解耦器实际应用中可能存在的问题讨论非线性稳态全解耦器设计原理基本设计思想：引入新变量v1,v2

并满足其中,非线性稳态三角解耦设计原理基本设计思想：引入新变量v1,v2

并满足调合过程非线性稳态

三角解耦举例稳态模型：令调合过程非线性稳态

三角解耦设计自动控制过程分析调合过程非线性稳态

全解耦设计举例令稳态模型：调合过程稳态

全解耦设计举例（续）非线性解耦器：稳态模型：调合过程非线性解耦器实现解耦器：调合过程非线性解耦控制仿真调合过程非线性解耦

仿真结果问题讨论以下物料供应系统有一只泵，但有两个支路。试设计一个控制系统以实现对每一支路流量的定值控制，并设法减少两支路的相互关联。假设流体输送过程满足以下方程，并且Ph、P1、P2基本不变。多变量系统的

耦合分析与解耦设计小结相对增益的概念过程增益矩阵的获取与相对增益矩阵的计算CVs与MVs配对原则多回路系统控制参数整定方法基于传递函数的串级与前馈解耦设计基于过程机理的非线性稳态解耦设计下一讲：锅炉设备的控制锅炉设备的生产流程与控制问题锅炉汽包水位的特性分析与三冲量控制锅炉蒸汽温度控制预习内容详见《过程控制工程》10.4节(P.225)思考题与习题详见《过程控制工程》10-3（P.236）锅炉设备控制控制系统开发的关键问题哪些过程变量需要得到控制?（CV选择）哪些过程变量我们可以进行直接操作?（MV选择）MVs与CVs如何配对?（系统分解）如何用某一MV控制某一CV?（控制策略选择，包括多回路控制方案与控制算法选择）如何实施控制方案?（仪器仪表与控制装置选型购买、现场安装调试、控制参数整定等）内容锅炉设备的生产流程与控制问题汽包水位特性分析与三冲量控制锅炉燃烧控制与蒸汽温度控制锅炉简化工艺流程图过程描述（分水汽线与空气线）为满足用户用汽需要、确保安全、实现经济燃烧，哪些过程变量需要得到控制？锅炉控制问题

系统分解：（1）汽包水位控制；（2）燃烧控制；（3）过热蒸汽温度控制MVs与CVs如何配对?汽包水位控制问题被控变量：汽包水位H(s)操作变量：给水流量F(s)主要干扰：燃烧发汽量与用汽量（基本平衡）D(s)为什么说它是一个困难的控制问题？汽包水位对象特性分析干扰通道特性—物理意义分析—控制通道特性近似模型?非最小相位系统及其特性在复平面的右半平面将存在零点，如果具有上述特点的过程称为“非最小相位系统”单冲量控制方案单回路PID控制双冲量控制方案

问题讨论（1）指出其控制策略?（2）画出其控制方块图（3）选择控制器LC11的正反