第8、9、10章非线性、纯滞后、解耦控制系统

GA
u 输出
教学进程
8.2 非线性过程的非线性控制
有些非线性特性严重的过程，必须采用非线性控制
8.2.1 pH控制的非线性控制
典型的非线性过程 P195 图8-9 在PH值为7附近非线性畸 变严重，斜率非常大，普通PID控制器难于控制
pH控制在工业应用很多，如污水处理过程
11 10 9 8
pH 7
u c
图8-19 使用模型的开关控制
教学进程
8.3.2 Bang-Bang 控制 属于一种最优控制，时间最优控制，可以通过最优控制理 论进行推导 关键：开关时间的计算 （1）手动Bang-Bang控制 操作人员根据开关时间计算公式求出切换时间，手动 控制阀门
教学进程
8.3.2 Bang-Bang 控制
缺点：产生不衰减的振荡环
8.3.1 位式控制的改进及其发展 （1）一般的改善方法 合理选择中间区，或采用多位式控制，以减小振荡的 幅值。
教学进程
8.3.1 位式控制的改进及其发展
（2）控制作用的改进
脉冲宽度调制（PWM），输出变成一系列的方波，方波 宽度受输入偏差的调制，提高方波变化的频率，接近连续 控制，可消除振荡。
运算单元 执行装置
过程
逻辑单元
教学进程
8.1.2 线性过程的其它非线性控制
VSS采用计算机实现容易，简单的可以采用仪表的一 些计算单元完成
P193 图8-5 一个简单的变结构控制器
对于高阶系统的控制效果好于一般PID控制器
K1
(•)2
√(•)
输入偏差
ė
S
K2
(•)2
eP
TP
+1 -1
Ti /s
×
up
教学进程
8.2.2 反应器的非线性控制 P197 图8-14 间歇反应器反应温度控制 非线性串级控制器，变增益非线性控制器
25（1+b|eM|）
KS
eM
eS
TR给定
主控制器
×
－
－
TJ 副过程
TR 主过程
8.2.3 智能控制
图8-15
教学进程
8.3 位式控制
较为古老的控制方式，继电器型控制， 输出不连续控制信号
教学进程
9.1 纯滞后补偿原理
控制通道的纯滞后对控制品质影响非常不利 如何对纯滞后进行处理
Gp (s)es
G (s)
设计一个补偿器，使并联后的等效传递函数消除纯滞后
液位偏差在不灵敏区小范围波动时，控制器输出变化很 小，控制阀动作很小
液位有小波动，流量也有小的波动——均匀控制
系统的组成可采用单回路或串级结构 P190 图8-2 （A）、 （B）
（2）非线性控制器类型
① PI、PID型，不灵敏区内只是增益K发生变化——A型 ② PI型，K和Ti同时起作用——B型 ③ 不灵敏区内以PV代替SP，因此，不灵敏区成为“死
区”，不灵敏区外，和B型一样
教学进程
8.1.1 液位的非线性控制
参数整定要注意的问题：
①作为液位均匀控制器，其不灵敏区以外的控制作用要 大些，迅速拉回到不灵敏区内；
②不灵敏区的宽度要略小于工艺允许波动范围，使得液 位超出不灵敏区后有一定的控制过程
③不灵敏区内的KC的大小与不灵敏区宽度综合考虑
教学进程
控制器
u
y
自适应开 关计算机
图8-21
教学进程
8.3.2 Bang-Bang 控制
（4）复式时间最优的 Bang-Bang控制
启动
采样r(n),y(n)
|r(n)—y(n)|→|e(n)|
否
Bang-Bang算式
|e(n)|＜a？
PID算式
送输出通道
图8-22
教学进程
第9章
纯滞后补偿控制系统
9.1 纯滞后补偿原理 9.2 纯滞后补偿的效果 9.3 史密斯补偿的实现
过程控制工程
Process Control Engineering
第8章非线性控制系统 第9章 纯滞后补偿控制系统
第10章 解耦控制系统
第9 课 北京化工大学 信息科学与技术学院自动化系 宿翀
第8章
非线性控制系统
8.1 线性过程的非线性控制 8.2 非线性过程的非线性控制 8.3 位式控制
教学进程
8.1.1 液位的非线性控制
B型的控制效果好些 P192 图8-3 采用选择性控制系统实现非线性的均匀控制
正作用
LC 高位继动器
Fi
正作用 > 高选器
低位继动器
正作用
< 低选器
气开
Fo
教学进程
8.1.2 线性过程的其它非线性控制
变结构控制（VSS） 逻辑单元根据系统的要求和特点，选择运算规律
开关元件
6 5 4 3
0 10
20 30
40 50
C试剂/升溶液
教学进程
8.2.1 pH控制的非线性控制
（1）带不灵敏区的非线性控制 在pH=7附近实施不灵敏区的控制作用 关键：不灵敏区的宽度、不灵敏区内的增益，参数
整定时试凑
（2）自适应PH值控制 pH值变化曲线，会由于在废水中添加了弱酸或碱，
有所改变
10 8 6 4 2
（2）自动Bang-Bang控制 快速调节器
σ(x1，x2) x1
u
y = x1
Gp
. χ2= χ 1 S 非线性函数发生器
快速调节器
通过状态反馈，得到开关函数，决定控制作用，以实现时 间最优控制
教学进程
8.3.2 Bang-Bang 控制 （3）自适应Bang-Bang控制
Bang-Bang
过程
01 2 3
45
10 8 6 4 2
01
23
45
教学进程
8.2.1 pH控制的非线性控制
引如自适应控制器，感测系统的响应，判别系统的控制 状态，图8-13
不灵敏区宽度
非
自
线
适
性
应
控
控
制
制
器
器
到控制阀 ph
教学进程
8.2.1 pH控制的非线性控制 非线性控制器，根据PH控制系统的响应，输出信号去设 定非线性控制器的不灵敏区的宽度 除此之外，PH值还可以采用智能控制（实际上也是非 线性控制）
8.1 线性过程的非线性控制
两类非线性控制系统： 过程是线性的，为了满足某种特殊要求
而引入的非线性控制规律； 过程本身是非线性的，引入非线性单元或规律
用以补偿。
教学进程
8.1 线性过程的非线性控制
8.1.1 液位的非线性控制
（1）实现均匀控制 采用带不灵敏区的非线性控制规律
不灵敏区内，控制器增益比较小，即对偏差不灵敏。
ė 时间比例式——脉冲输出的平均值与偏差e成正比
e
c
-
KK T1s 1 T2s 1
T2>T1
图8-16 控制特性近似为PID
教学进程
8.3.1 位式控制的改进及其发展
（3）带模型反馈的位式控制 双位式控制器、模型和被控设备，控制 器与模型组成反 馈回路
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