176 第2篇 先进控制控制系统第8章 非线性控制系统前面的章节所讨论的都是线性系统，但是实际上，大多数物理过程都具有一定程度的非线性。即使如此，如果系统的非线性程度不高，或者仅存在于较窄的操作范围内，可将其近似为一个线性系统来进行处理，则前面所讨论的控制技术，例如常规PID控制仍旧是有效的。但是对于一些具有不可忽视的非线性的过程，这种方法就不适用了。这种情况下，采用非线性控制策略能进一步提高控制品质。随着控制理论的进展，自动化技术工具的发展，尤其是计算机的使用，使非线性控制系统在工业控制中逐步多了起来。如果对非线性控制系统粗略地进行分类，可以分为两类：一类过程是线性的(或近似按线性处理)，为了满足控制系统的某种要求或改善控制系统质量而引入非线性的控制规律；另一类过程本身是非线性的，引入非线性的补偿元件或控制规律，以达到系统规定的控制指标。 8．1 线性过程的非线性控制 8．1．1 液位的非线性控制 (1)均匀控制的实现 在均匀控制系统一节中，曾提到可以采用非线性控制规律来实现均匀控制，其中最常用的是采用带不灵敏区的非线性控制。这种带不灵敏区的非线性控制规律如图8-1所示。当系统偏差e在不灵敏区内，控制器的增益很小，即δ很大；偏差e超出不灵敏区后，控制器增益将增大(增大十倍或更多)。 利用非线性控制规律实现均匀控制的原理较简单，只要根据工艺允许的液位波动范围，合理设置不灵敏区宽度，就能做到在较小的外扰作用下，使液位偏差信号在不灵敏区内变化，非线性控制器工作在小增益区域，从而输出变化不大，控制阀的开度变化也不大，流量仅仅在小范围内波动。也就是说，液位在允许范围内波动的同时，流量不至于有较大的变化，达到液位和流量的均匀控制。只有在较大的外扰作用进入系统时，液位偏差信号一旦超出不灵敏区，非线性控制器才工作在高增益区域，其控制作用有一个较大的输出变化，使流量也产生一个较大的变化。但这种作较大变化的时间是短暂的，因为较强的控制作用驱使流量作较大的变化，可以很快地把液位偏差信号拉回到不灵敏区，于是整个系统又回复到上述的不灵敏区内的工作情况。因此，这种非线性液位控制系统经常工作在不灵敏区范围内，液位和流量均在小范围内波动，仅仅为了有力地克服大扰动作用，系统才工作在高增益区，造成流量的较大波动，但这种情况是不太多的，维持的时间也是较短的。实际系统的组成可采用单回路控制或非线性串级控制等形式，其系统构成分别示于图8—2(a)、(b)
第1章 绪论 思考题与习题
1-1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？
解答：
1．控制对象复杂、控制要求多样
2. 控制方案丰富
3．控制多属慢过程参数控制
4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式
5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成
1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？
解答：
过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
组成：控制器，被控对象，执行机构，检测变送装置。
1-3简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值和偏差的含义？
解答：
被控对象 自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。
被控变量 被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。
操纵变量 受控制器操纵的，用以克服扰动的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。
扰动量 除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。
设定值 被控变量的预定值。
偏差 被控变量的设定值与实际值之差。
1-4按照设定值的不同形式, 过程控制系统可分为哪几类？
解答：
按照设定值的不同形式又可分为:
1．定值控制系统 定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统.定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响,使被控变量最终回到设定值或其附近.以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言.
2.随动控制系统 随动控制系统的设定值是不断变化的.随动控制系统的作用是使被控变量能够尽快地,准确无误地跟踪设定值的变化而变化
3.程序控制系统 程序控制系统的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。
1-5 什么是定值控制系统?
解答：
在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
1-6 什么是被控对象的静态特性？什么是被控对象的动态特性？为什么说研究控制系统的动态比其静态更有意义？
第1章 过程控制系统概述
习题与思考题
1.1 什么是过程控制系统，它有那些特点？
1.2 过程控制的目的有那些？
1.3 过程控制系统由哪些环节组成的，各有什么作用？过程控制系统有那些分类方
法？ 1.4 图1.11是一反应器温度控制系统示意图。A、B两种物料进入反应器进行反应，
通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器的温度保持不变。试画出该温度控制系统的方
框图，并指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数及可能影响被控参数变化的扰
动有哪些？ 1.5 锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。水位过高，会使蒸汽带液，降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损
坏后续设备；而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。因此，必须对
汽包水位进行严格控制。图1.12是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求： 1）画出该控制系统方框图。
2）指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数和扰动参数各是什么。 3）当蒸汽负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。
图1.11 反应器温度控制系统ABTTTC
冷却水汽包
加热室LTLC
V-1蒸汽
图1.12 锅炉汽包水位控制示意图 1.6 评价过程控制系统的衰减振荡过渡过程的品质指标有那些？有那些因素影响这些
指标？ 1.7 为什么说研究过程控制系统的动态特性比研究其静态特性更意义？ 1.8 某反应器工艺规定操作温度为80010℃。为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850℃。现运行的温度控制系统在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如图1.13所示。 1）分别求出稳态误差、衰减比和过渡过程时间。
2）说明此温度控制系统是否已满足工艺要求。
800805810845T/℃
2025t/min图1.13 某反应器温度控制系统过渡过程曲线 1.9 简述过程控制技术的发展。
1.10 过程控制系统与运动控制系统有何区别？过程控制的任务是什么？设计过程
第一章测试
1. 过程控制针对生产过程的主要参数包括：
A:压力
B:流量
C:物位
D:温度
答案:ABCD
2. 过程控制技术的发展中，控制策略与算法也经历了由简单控制到复杂控制、先进控制的发展历程。
A:对
B:错
答案:A
3. 过程控制系统按照设定值的形式不同划分为：
A:随动控制系统
B:定值控制系统
C:随机控制系统
D:程序控制系统
答案:ABD
4. 过程控制系统按照系统结构特点分为：
A:前馈控制系统
B:反馈控制系统
C:复合控制系统
D:微分控制系统
答案:ABC
5. 稳定系统的过渡过程包括：
A:单调衰减过程
B:振荡衰减过程
C:等幅振荡过程
D:振荡发散过程
答案:AB
6. 衰减比和衰减率是衡量过渡过程稳定程度的动态指标。
A:对
B:错
答案:A
7. 最大动态偏差和超调量是衡量过渡过程稳定程度的动态指标。
A:错
B:对
答案:B 8. 偏差积分性能指标是系统阶跃响应的综合性能指标。
A:错
B:对
答案:B
9. 采用不同的偏差积分性能指标意味着对过渡过程评价的侧重点不同。
A:错
B:对
答案:B
10. 过程控制系统中性能指标要求越高越好。
A:对
B:错
答案:B
第二章测试
1. 数字仪表的分辨率用来表征仪表的灵敏程度。
A:对
B:错
答案:A
2. 温度不能直接测量，只能间接测量，其测量方法可以归结为两类：
A:接触式测量方法
B:红外感应式测量方法
C:膨胀式测量方法
D:非接触式测量方法
答案:AD
3. 热电偶使用时需要进行冷端温度补偿。
A:对
B:错
答案:A
4. 金属热电阻测温精度高，测温范围宽，在工业温度测量中得到了广泛应用。
A:对
B:错
答案:A
5. 弹性式压力计的测压敏感元件是：
A:记录机构
B:电气变换装置
C:控制元件
D:弹性元件
答案:D
6. 差压式流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。 A:错
