過程控制系統(tǒng)：應(yīng)用、設(shè)計與整定

第1篇 反饋控制的基本原理

第1章 控制回路中的動態(tài)環(huán)節(jié)

1.1 負反饋

1.2 難以控制的環(huán)節(jié)——遲延

1.3 容易控制的環(huán)節(jié)——容積

1.4 單容加遲延

符號說明

習題

第2章 實際過程的特性

2.1 多容過程

2.2 靜態(tài)增益

2.3 生產(chǎn)裝置的測試

符號說明

參考文獻

習題

第3章 一些常見回路的分析

3.1 流量控制

3.2 壓力控制

3.3 液位與水力共振

3.4 成分控制

2.5 溫度控制

3.6 小結(jié)

符號說明

參考文獻

習題

第2篇 反饋調(diào)節(jié)器的選擇

第4章 線性調(diào)節(jié)器

4.1 性能準則

4.2 擾動

4.3 PI和PID調(diào)節(jié)器

4.4 基于模型的調(diào)節(jié)器

4.5 斷續(xù)控制回路

4.6 數(shù)字控制

符號說明

參考文獻

習題

第5章 非線性控制環(huán)節(jié)

5.1 閉合回路中的非線性環(huán)節(jié)

5.2 非線性相移環(huán)節(jié)

5.3 各種類型的開關(guān)調(diào)節(jié)器

5.4 復(fù)式系統(tǒng)的概念

5.5 非線性PID調(diào)節(jié)器

符號說明

參考文獻

習題

第3篇 多回路系統(tǒng)

第6章 利用多回路改善控制

6.1 串級控制

6.2 多輸出控制系統(tǒng)

6.3 選擇性控制回路

6.4 適應(yīng)性控制系統(tǒng)

6.5 小結(jié)

符號說明

參考文獻

習題

……

第4篇 應(yīng)用

附錄A 圖形符號說明

附錄B 習題解答

附錄C 本書所涉及的工程單位及其轉(zhuǎn)換

內(nèi)容索引2100433B

本書結(jié)合具體的控制對象論述過程控系統(tǒng)的設(shè)計、整定及其應(yīng)用問題，包括常見控制回路的分析、線性與非線性調(diào)節(jié)器的選擇、復(fù)雜控制系統(tǒng)的組成、控制算法與控制系統(tǒng)的實現(xiàn)和評估，以及各類典型單元及過程的控制方案，乃到一些高級的控制系統(tǒng)，如解耦系統(tǒng)、適應(yīng)性控制和基于模型的控制等。本書巧妙地把控制理論融合于應(yīng)用之中，使過程控制系統(tǒng)的設(shè)計更加科學(xué)和切合實際。

本書可用作大學(xué)本科自動化專業(yè)師生的教學(xué)參考書，對從事過程控制應(yīng)用研究的研究生和工程技術(shù)人員也很有參考價值。

PID控制算法(ProportionalIntegral-Differential，比例一積分一微分)作為一種最常規(guī)，最經(jīng)典的控制算法，經(jīng)過了長期的實踐檢驗。因為這種控制具有簡單的結(jié)構(gòu)，對模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中又較易于整定，所以它在工業(yè)過程控制中有著廣泛的應(yīng)用 。有調(diào)查表明，在煉油、化工、造紙等過程超過11,000個控制器中，有超過9796的控制器是PID類控制器 ,PID控制器在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用也在增長[6]。

PID整定Z - N參數(shù)整定法

Ziegler-Nichol響應(yīng)曲線法 ，是根據(jù)被控對象的階躍響應(yīng)曲線獲取被控對象的模型式(1)，根據(jù)模型的增益K，時間常數(shù)T以及純滯后時間，再利用如下的經(jīng)驗公式(2)整定PID控制器參數(shù)。

公式（1）：

公式（2）：

一般來說由于Z-N整定的PID控制器超調(diào)較大。為此C.C.Hang提出改進的Z-N法[8]，通過給定值加權(quán)和修正積分常數(shù)改善了系統(tǒng)的超調(diào)。這種方法被認為是Z-N法最成功的改進。

Ziegler-Nichols臨界振蕩法只對開環(huán)穩(wěn)定對象適用。該方法首先對被控對象施加一個比例控制器，并且其增益很小，然后逐漸增大增益使系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定振蕩·則此時臨界振蕩增益就是比例控制器的數(shù)值K,，振蕩周期就是系統(tǒng)的振蕩周期凡，然后根據(jù)公式(3)整定PID控制器參數(shù)。

公式（3）：

類似的整定方法有Cohen-Coon響應(yīng)曲線方法[9]，該方法同Ziegler-Nichols響應(yīng)曲線法操作相同，只是整定公式不同，其整定公式如式(4)：

公式（4）：

PID整定基于誤差性能指標的整定方法

為評價控制性能的優(yōu)劣，定義了多種積分性能指標，基于誤差性能指標的參數(shù)整定方法 是以控制系統(tǒng)瞬時誤差函數(shù)e(θ,t)的泛函積分評價Jn(θ)為最優(yōu)控制指標，它是評價控制系統(tǒng)性能的一類標準，是系統(tǒng)動態(tài)特性的一種綜合性能指標，一般以誤差函數(shù)的積分形式表示。其中Jn(θ)的基本形式如式(5)：

公式（5）：

n=0,m=0IAE

n=0,m=2ISE

n=1,m=2ISTE

Jn(θ)可以是ISE,1AE,1STE,1TAE等，然后經(jīng)過尋優(yōu)，搜索出一組PID控制器參數(shù)Kc，Ti，Td，使Jn(θ)的取值為最小，此時的PID控制器參數(shù)為最優(yōu)。

PID整定內(nèi)模整定

根據(jù)內(nèi)?？刂葡到y(tǒng) , 與常規(guī)反饋控制系統(tǒng)間存在的對應(yīng)關(guān)系，必要時對模型進行降階簡化處理，便可完成IMC-PID設(shè)計

圖中Gp(s)為實際被控過程對象，Gm(s)為被控過程的數(shù)學(xué)模型，即內(nèi)部模型，Q(s)為內(nèi)模控制器，它等于Gm(s)的最小相位部分的逆模型。u為內(nèi)模控制器的輸出，r，y，d分別為控制系統(tǒng)的輸入、輸出和干擾信號。

為抑制模型誤差對系統(tǒng)的影響，增強系統(tǒng)的魯棒性，在控制器中加人一個低通濾波器F(s)，一般F(s)取最簡單形式如下：

公式（6）：

式中階次n取決于模型的階次以使控制器可實現(xiàn)，r為時間常數(shù)。則內(nèi)模控制等效的控制器為：

公式（7）：

對于如式(1)表示的一階加純滯后過程，采用一階Pade近似，得到如下模型：

公式（8）：

將式(8)的最小相位部分代入式(7)，可得到如下的PID控制器參數(shù)：

公式（9）：

安全閥的整定壓力一般不大于壓力容器或管道的設(shè)計壓力。

安全閥的整定壓力，除了工藝有特殊要求外，為正常工作壓力的1.10倍，最低為1.05倍。