过程控制-4.9-非线性补偿
过程控制系统课设
过程控制系统课程设计一、设计任务书1. 题目PH控制系统2. 设计要求①设计义某化工过程中废液中和的pH控制系统；②对控制系统稳定性进行分析；③对控制系统的参数进行整定；④控制系统Simulink仿真。
3 . 仪器设备A3000现场控制系统，pH控制系统。
二、基本原理pH控制系统子工业，尤其是化工等行业，应用非常广泛。
利用pH控制可以实现化工过程的正常生产过程、造纸厂等化工厂废液达标排放等。
1. pH的特点PH控制系统的主要方式有：有一种碱（或酸）滴定另一种物质使pH值保持在某一值上；对两种分别呈酸性和碱性物质的流量进行控制使pH值保持在某一值上；控制两种物质使混合溶液保持在一定的pH值上。
PH控制和其他控制参数的不同主要有以下两点：●PH滴定曲线的高度非线性；●滴定过程的测量纯滞后特性。
图01为典型的酸碱滴定特性曲线。
从图01知，溶液的pH值随中和流量非线性变化。
图01 典型的酸碱滴定特性曲线显然在控制系统中将pH值的变化转化为中和反应酸碱的控制流量变化，是根据滴定特性曲线进行的。
将滴定特性曲线转化为酸碱流量变化规律的方法主要有三种：●利用非线性阀补偿过程的非线性；●采用三段式滴定调节器，用三条相接的线性段代替非线性滴定曲线；●采用滴定曲线的非线性调节器精确描述滴定曲线。
随着技术的进步，利用非线性阀补偿滴定曲线非线性用的越来越少；而基于计算机功能元器件或计算机的第二种方法和第三种方法应用越来越多。
对滞后的补偿常采用以下三种方法：●微分Smith补偿方法，由于该方法本身适应能力较差，较少使用；●改进的Smith补偿方法；●自适应方法，应用较多的是增益自适应的Smith法。
为了提高控制系统的误差跟踪能力，pH控制系统经常采用的控制策略是PI或PID，不能采用P调节。
2. 三段式非线性调节器和采用滴定曲线的非线性调节器（1）三段式非线性调节器实际中，酸碱中和后通过pH计测得pH值的大小，控制系统当前pH值大小折算成溶液中酸碱量的多少，并调节系统酸碱流量的大小实现要求的pH值。
过程控制系统概述
过程控制系统概述杨峰电信学院06自动化3班学号：40604010321所谓过程控制（Process Control）是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。
一﹑过程控制的特点随着生产过程的连续化﹑大型化和不断强化, 随着对过程内在规律的进一步了解,以及仪表﹑计算机技术的不断发展, 生产过程控制技术近年来发展异常迅速.所谓生产过程自动化, 一般指工业生产中(如石油﹑化工﹑冶金﹑炼焦﹑造纸﹑建材﹑陶瓷及热力发电等)连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制.凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数(如温度﹑压力﹑流量等)进行的自动控制统称为过程控制.生产过程的自动控制, 一般要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化. 由于被控参数不但受内﹑外界各种条件的影响, 而且各参数之间也会相互影响, 这就给对某些参数进行自动控制增加了复杂性和困难性. 除此之外, 过程控制尚有如下一些特点:1. 被控对象的多样性.对生产过程进行有效的控制, 首先得认识被控对象的行为特征, 并用数学模型给以表征, 这叫对象特性的辨识. 由于被控对象多样性这一特点, 就给辨识对象特性带来一定的困难.2. 被控对象存在滞后.由于生产过程大多在比较庞大的设备内进行, 对象的储存能力大, 惯性也大. 在热工生产过程中, 内部介质的流动和热量转移都存在一定的阻力, 因此对象一般均存在滞后性. 由自动控制理论可知, 如系统中某一环节具有较大的滞后特性, 将对系统的稳定性和动态质量指标带来不利的影响, 增加控制的难度.3. 被控对象一般具有非线性特点.当被控对象具有的非线性特性较明显而不能忽略不计时, 系统为非线性系统, 必需用非线性理论来设计控制系统, 设计的难度较高. 如将具有明显的非线性特性的被控对象经线性化处理后近似成线性对象, 用线性理论来设计控制系统, 由于被控对象的动态特性有明显的差别, 难以达到理想的控制目的.4. 控制系统比较复杂.控制系统的复杂性表现之一是其运行现场具有较多的干扰因素. 基于生产安全上的考虑, 应使控制系统具有很高的可靠性.由于以上特点, 要完全通过理论计算进行系统设计与控制器的参数整定至今乃存在相当的困难, 一般是通过理论计算与现场调整的方法, 达到过程控制的目的.二﹑过程控制系统的组成过程控制系统的组成, 一般可用如下框图表示被控参数（变量）y(t ) ;控制（操纵）参数（变量）q(t) ;扰动量f(t) ;给定值r(t) ;当前值z(t); 偏差e(t) ;控制作用u(t)三、过程控制系统的分类按系统的结构特点来分反馈控制系统，前馈控制系统，复合控制系统（前馈-反馈控制系统）按给定值信号的特点来分定值控制系统，随动控制系统1.反馈控制系统偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的。
qs9000-2001质量体系要求(中文第三版)
质量体系要求Quality System RequirementsQS-9000第三版以ISO 9000 为基础的要求内容组成管理职责——要素4．1质量体系——要素4．2合同评审——要素4．3设计控制——要素4．4文件和资料控制——要素4．5采购——要素4．6顾客提供产品的控制——要素4．7产品标识和可追溯性——要素4．8过程控制——要素4．9检验和试验——要素4．10检验、测量和试验设备的控制——要素4．11检验和试验状态——要素4．12不合格品的控制——要素—要素4•13纠正和预防措施——要素—要素4．14搬运、贮存、包装、防护和交付——要素4．15 质量记录的控制——要素4．16 内部质量审核——要素4．17 培训——要素4．18 服务——要素4．19 统计技术——要素4．20管理职责一要素4.1质量方针---4.1.1 负有执行职责的供方管理者，应规定质量方针，包括质量目标和对质量的承诺，并形成文件。
质量方针应体现供方的组织目标以及顾客的期望和需求。
供方应确保其各级人员都理解质量方针，并坚持贯彻执行。
组织---4.1.2 职责与权限---4.1.2.1 对从事与质量有关的管理、执行和验证工作的人员，特别是对需要独立行使权力开展以下工作的人员，应规定其职责、权限和相互关系，并形成文件：a）采取措施，防止出现与产品、过程和质量体系有关的不合格；注：如需要纠正质量问题,建议负责质量的人员有权停止生产。
b）确认和记录与产品、过程和质量体系有关的问题；0通过规定的渠道，采取、推荐或提出解决办法；d）验证解决办法的实施效果；e）控制不合格品的进一步加工、交付或安装，直至缺陷或不满足要求的情况得到纠正。
f）在阐述QS-9000要求时，说明顾客对内部职能部门的需求（如选择特殊特性，确定质量目标、培训、纠正和预防措施，产品设计与开发）。
资源---4.1.2.2 对管理、执行工作和验证活动（包括内部质量审核），供方应确定资源要求并提供充分的资源，包括委派经过培训的人员（见4．18）。
非线性补偿
w
10
14
( mol / L )
2
V
pH的定义式:
pH lg H
H 10
pH
, , OH 10
14 pH
pH中和过程的稳态模型
被调液体 中 和 液
F2,C2, pH2
假设先混合后反应, 混合后 的酸与碱浓度x1, x2分别为
x1 F1 F1 F 2 c1 , x 2 F2 F1 F 2 c2
x
F 2 c 2 F1 c 1 F1 F 2
中和过程的动态模型
参见 p. 239 图14.3-3
pH中和过程的单回路控制
中 和 液 AC SP
被调液体
生成液
中和过程的变比值串级PID控制
中 和 液
F1
被调液体
F2
FC 生成液 AC
×
u2
pHm pHsp
pH中和过程的非线性控制
pHsp
u PID
GV (s)
f
GP (s)
+
+
pH
+
_
pHm GM (s)
讨论：由于pH中和过程非线性的特殊性，采用直接引入 “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。
中和过程非线性增益补偿原理
11 10 9
pH
8 7 6 5 4 3 0 10 非线性 控制器增益 控制点 pH 线性化增益 20 30 中和剂量/升溶液 40 50
增益非线性补偿方法举例1
蒸汽 RV T2
对象稳态关系：
u
TC
T2sp
c p R F ( T 2 T1 ) H V R V
第1章 过程控制性能指标(1-2)
1.2.1 过程控制的性能指标过程控制系统的性能由组成系统的结构、被控过程与过程仪表（测量变送、执行器和控制器）各环节特性所共同决定的。
1.过程控制系统的性能评价⏹一个性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，应能迅速（快）、平稳（稳）、准确（准）地达到或趋近给定值。
⏹过程控制系统性能的评价指标可概括为：a)系统必须是稳定的（最重要、最基本的需求！）b)系统应提供尽可能优良的稳态调节（静态指标）；c)系统应提供尽可能优良的过渡过程（动态指标）。
2. 决定过程控制系统性能的因素⏹控制系统结构（单回路、串级、前馈-反馈控制等）；⏹各组成环节特性：a)被控过程特性（滞后、非线性、时变性和耦合特性）；b)检测环节特性（非线性、间接测量）；c)执行环节特性（非线性）；d)控制器特性。
当系统结构和上述三个环节都确定后，控制器特性是决定控制系统性能指标的唯一因素。
这就是参数整定（Tuning）。
稳定是系统性能中最重要、最根本的指标，只有在系统是稳定的前提下，才能讨论静态和动态指标。
3. 性能指标的确定和分析方法⏹过程控制系统性能指标应根据生产工艺过程的实际需要来确定。
需同时注意静态和动态性能指标。
⏹分析方法：（1）.阶跃响应性能指标，系统工程整定时采用；（重点介绍）（2）.偏差积分性能指标，计算机仿真或理论分析时采用。
①阶跃扰动作用下控制系统过渡过程曲线(a)发散振荡程 (b)非振荡发散过程 (c)等幅振荡过程(d) 衰减振荡过程 (e) 非振荡衰减过程在阶跃振动作用下，控制系统过渡过程曲线有以上几种典型形式：发散振荡过程、非振荡发散过程、等幅振荡过程、 衰减振荡过程、 非振荡衰减过程前三者属于不稳定过程→性能指标无从谈起，后两种过程为稳定过程，重点讨论衰减振荡过程的常用性能指标。
②给定值阶跃变化时过渡过程的典型曲线③静态性能指标稳态误差是描述系统静态性能的唯一指标。
定义：指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差：一般要求稳态误差为零或越小越好。
ISO9001-2000质量管理体系—要求-标准条文的理解与审核要点
《ISO9001:2000质量管理体系—要求》标准条文的理解与审核要点第一节 ISO9001:2000标准的总体变化一、思路和结构的变化(一)目的和适用范围的变化对ISO9001:2000标准修订的主要目的是为了给标准的使用者提供过程增值的机会，以及为满足顾客要求，通过持续改进过程业绩，增强顾客满意。
2000版ISO9001标准名称为《质量管理体系要求》，在0.1“总则”的第三段中，“本标准能用于内部和外部(包括认证机构）评定组织满足顾客、法律法规和组织自身要求的能力”。
1994版ISO9001标准名称为《质量体系设计、开发、生产、安装和服务的质量保证模式}，在“引言”的第一段中，“本标准是外部质量保证所使用的有关质量体系要求的三个标准中的一个。
下列三个标准中规定的质量保证模式分别代表三种不同的质量体系要求，用于供方证明其能力以及外部对其能力进行的评定”。
从两种版本的名称和表述中可以看出，ISO9001:2000标准除了要求产品质量保证以外，还旨在增强顾客满意。
而1994版ISO9001标准则侧重于供方对外提供质量保证。
ISO9001:2000是质量管理体系标准(见ISO9000:2000标准的0.1)，1994版IS09001是质量保证模式标准。
前者的应用范围已经得到扩展，组织需要通过体系的有效应用，包括持续改进体系的过程，以及保证符合顾客与适用的法律法规要求，而增强顾客满意时可选用此标准。
而后者主要通过预防不合格而获得顾客满意。
ISO9001:2000标准取代了1994版ISO9001、ISO9002、ISO9005标准，因此，ISO9001:2000的第1章中增加了一节1.2“应用”。
允许组织对不适用的质量管理体系要求进行删减，但删减仅限于第7章中部分条款。
(二)2000版与1994版GB／T19001标准结构的对比ISO9001:2000、标准以五个“板块”取代1994版标准的20个要素，其重点内容体现在第4、5、6、7和8章。
10.非线性补偿-过程控制(自动化)解析
C1G1 (T T1 ) G2
控制通道静态增益:
T 1 G2 C1G1 G1
Kp
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。
非线性增益补偿方法1 --调节阀特性补偿（续）
蒸汽 G2 u(t)
TC
Tsp
Tm G1, T1 进料 凝液 T
T 1 Kp G2 C1G1 G1
14 pH
pH中和过程的稳态模型
中 和 液
F2,C2, pH2
假设先混合后反应, 混合后 的酸与碱浓度x1、 x2分别为
被调液体
F1,C1, pH1
生成液
x1
F1 F2 c1 , x2 c2 F1 F2 F1 F2
V
中和反应的结果使混合液 中的剩余酸浓度为
x x2 x1 [OH ] [ H ]
从静态增益补偿的角度考虑：
G1 Kp G2 Kv 选等百分比阀 即控制阀开度
非线性增益补偿方法1 --调节阀特性补偿（续）
蒸汽 G2 u(t)
TC
Tsp
热平衡方程:
C1G1 (T T1 ) G2
Tm
G1, T1 进料 凝液 T
控制通道静态增益:
T 1 Kp G2 C1G1 G1
pH中和过程
中和反应:
被调液体 中 和 液
F2, pH2
H OH H 2O
中和反应平衡式:
F1, pH1
生成液
H OH K
w
1014 (m ol/ L) 2
V
pH的定义式:
pH
H 10 , OH 10
2019宋彤《过程控制工程》4 前馈及比值控制.ppt
TC 原料出口 FC
燃料
燃料
原油
原料
(a)
(b)
1）控制方案： a) 串级控制， b) 前馈-反馈控制 2）方框图（略） 3）主要干扰： a）燃料流量波动， b）原料流量波动
26
TC 原油出口 FC ＋
TC 原料出口 FC
燃料
燃料
原油
原料
(a)
(b)
4）特点： 串级控制方案，引入燃料流量作为副变量，能迅速克 服燃料的流量波动对主变量的影响； 对于原料引入的干扰控制不及时。 前馈控制方案，引入原料流量作为前馈量，对原料波 动能及时通过调节燃料供给量给予补偿； 系统综合了前馈控制及时克服主要干扰和反馈控制能 克服多种干扰的优点。但是，对于原料流量波动以外 的干扰，控制系统呈现单回路控制特性。
17
b. 前馈控制器控制规律
f Gff(s) GCT(s) GCF(s) GP2(s) GPD(s) GP1(s) T
b.前馈-串级控制方框图
传递函数：
2 ( s)GP1 ( s) T ( s) GPD ( s) G ff ( s)GP 2 ( s)GP1 ( s) F ( s) 1 GC1 ( s)GP
静态前馈补偿控制式：
控制器特性
Cp Cp Fs = F g (T 1 - T 2 ) ? F g (T 1s T 2 ) hs hs T 1s：换热器出口温度设定值
9
静态前馈补偿控制式：
Cp Cp Fs = F g (T 1 - T 2 ) ? F g (T 1s T 2 ) hs hs T 1s：换热器出口温度设定值
FC
Gff
Gff ＋
原料出口
燃料
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1 0 -1
被调液体 生成液
4
5
6
7
8
9
10 pH
非线性控制系统
非线性增益环节
pH中和过程的 非线性变比值串级控制方案
F
中 和 液
FC
Rsp
× u pHC ysp
被调液体 生成液
非线性控制系统
非线性增益环节
11
AC
SP
pH
10 9 8 7 6 5 4 3 0 1 0 20 30 中和剂量/升溶液 40 50
生成液
pH中和过程的单回路控制
pH中和过程的滴定曲线
pH中和过程 非线性单回路控制方框图
D ysp ＋ － e0 非线性 增益补偿 ym e1 PID u 调节阀 中和 反应槽 y
pH 测量变送
讨论：由于pH中和过程非线性的特殊性，作为最常用的补 偿对象非线性的方法，通过选择调节阀流量特性以实现广 义对象的近似线性难以奏效。而采用直接引入“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。
概述
在不同流量下系统的阶跃响应曲线 绿色：正常流量；红色：流量减小；蓝色：流量增加
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。
F1 F2 c1 , x2 c2 F1 F2 F1 F2
V
中和反应的结果使混合液 中的剩余酸浓度为
x x2 x1 [OH ] [ H ]
Kw x [ H ] [H ]
[H ]
x2 x Kw 4 2
pH中和过程的非线性C 进料 出料
v(t) P1 P2
燃料油
补偿方法：通过引入串 级控制方式，以克服副 回路中的非线性，实现 主对象增益在一定条件 下的的近似线性（本例 中，指Fsp 与 出口温度 的稳态增益）。
非线性补偿方法举例3
u(t) × RF RVsp RV
FC
T2sp
TC
蒸汽
T2
凝液
工艺 介质
pH中和过程的单回路控制
中 和 液
被调液体
AC
SP
生成液
pH中和过程非线性增益补偿
11 10 9 8 7 6 5 4 3 0 10 非线性 控制器增益 控制点 pH 线性化增益 20 30 中和剂量/升溶液 40 50
pH
pH中和过程的 非线性变比值串级控制方案
F 中 和 液
FC
Rsp
e1
× u pHC ysp
增益非线性补偿方法举例1
蒸汽 RV T2 T1 RF 凝液 工艺介质
对象稳态关系：
u
TC
T2sp
c p RF (T2 T1 ) HV RV
对象增益：
HV T2 1 Kp RV c p RF RF
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。
非线性补偿方法举例2
第四章 复杂控制系统 4.9 非线性补偿
概述
系统中的非线性因素，主要存在于两个部分： 一部分是用以实现控制的仪表或执行机构中所包含的 非线性。例如调节器中的限幅特性，阀门的等百分比、抛物 线和快开等特性。它们一般属于典型非线性特性。 另一部分存在于对象本身。例如对象的增益在很多情况 下不是常数而是负荷、调节量等因素的非线性函数，通常称之 为对象的变增益特性。例如有些对象动态特性的描述本来就是 用的非线性方程。
概述
在具有变增益对象的系统中，控制过程会 出现什么问题？ 换热器的增益是与被加热物料的流量成反比的。 整定是在正常的负荷下进行的。 当物料流量增大时，由于过程增益变小，在已整定好的温度控 制回路的比例增益作用下，过渡过程将会出现过阻尼； 在小流量下，过程增益增大，系统可能出现振荡甚至不稳定。 为了控制回路能正常工作，就必须根据最坏的操作调节，即 根据预计的最小流量来整定调节器。
补偿方法：通过引入 中间变量（本例中为 蒸汽量与工艺物料量 的比值），实现主对 象增益的近似线性 （本例中，指u(t) 与 T2(t) 的稳态增益）。
pH中和过程的稳态模型
被调液体 中 和 液
F2,C2, pH2
假设先混合后反应, 混合后 的酸与碱浓度x1, x2分别为
F1,C1, pH1
生成液
x1