过程控制系统：应用、设计与整定

第1篇 反馈控制的基本原理

第1章 控制回路中的动态环节

1.1 负反馈

1.2 难以控制的环节——迟延

1.3 容易控制的环节——容积

1.4 单容加迟延

符号说明

习题

第2章 实际过程的特性

2.1 多容过程

2.2 静态增益

2.3 生产装置的测试

符号说明

参考文献

习题

第3章 一些常见回路的分析

3.1 流量控制

3.2 压力控制

3.3 液位与水力共振

3.4 成分控制

2.5 温度控制

3.6 小结

符号说明

参考文献

习题

第2篇 反馈调节器的选择

第4章 线性调节器

4.1 性能准则

4.2 扰动

4.3 PI和PID调节器

4.4 基于模型的调节器

4.5 断续控制回路

4.6 数字控制

符号说明

参考文献

习题

第5章 非线性控制环节

5.1 闭合回路中的非线性环节

5.2 非线性相移环节

5.3 各种类型的开关调节器

5.4 复式系统的概念

5.5 非线性PID调节器

符号说明

参考文献

习题

第3篇 多回路系统

第6章 利用多回路改善控制

6.1 串级控制

6.2 多输出控制系统

6.3 选择性控制回路

6.4 适应性控制系统

6.5 小结

符号说明

参考文献

习题

……

第4篇 应用

附录A 图形符号说明

附录B 习题解答

附录C 本书所涉及的工程单位及其转换

内容索引2100433B

本书结合具体的控制对象论述过程控系统的设计、整定及其应用问题，包括常见控制回路的分析、线性与非线性调节器的选择、复杂控制系统的组成、控制算法与控制系统的实现和评估，以及各类典型单元及过程的控制方案，乃到一些高级的控制系统，如解耦系统、适应性控制和基于模型的控制等。本书巧妙地把控制理论融合于应用之中，使过程控制系统的设计更加科学和切合实际。

本书可用作大学本科自动化专业师生的教学参考书，对从事过程控制应用研究的研究生和工程技术人员也很有参考价值。

PID控制算法(ProportionalIntegral-Differential，比例一积分一微分)作为一种最常规，最经典的控制算法，经过了长期的实践检验。因为这种控制具有简单的结构，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，在实际应用中又较易于整定，所以它在工业过程控制中有着广泛的应用 。有调查表明，在炼油、化工、造纸等过程超过11,000个控制器中，有超过9796的控制器是PID类控制器 ,PID控制器在嵌入式系统中的应用也在增长[6]。

PID整定Z - N参数整定法

Ziegler-Nichol响应曲线法 ，是根据被控对象的阶跃响应曲线获取被控对象的模型式(1)，根据模型的增益K，时间常数T以及纯滞后时间，再利用如下的经验公式(2)整定PID控制器参数。

公式（1）：

公式（2）：

一般来说由于Z-N整定的PID控制器超调较大。为此C.C.Hang提出改进的Z-N法[8]，通过给定值加权和修正积分常数改善了系统的超调。这种方法被认为是Z-N法最成功的改进。

Ziegler-Nichols临界振荡法只对开环稳定对象适用。该方法首先对被控对象施加一个比例控制器，并且其增益很小，然后逐渐增大增益使系统出现稳定振荡·则此时临界振荡增益就是比例控制器的数值K,，振荡周期就是系统的振荡周期凡，然后根据公式(3)整定PID控制器参数。

公式（3）：

类似的整定方法有Cohen-Coon响应曲线方法[9]，该方法同Ziegler-Nichols响应曲线法操作相同，只是整定公式不同，其整定公式如式(4)：

公式（4）：

PID整定基于误差性能指标的整定方法

为评价控制性能的优劣，定义了多种积分性能指标，基于误差性能指标的参数整定方法 是以控制系统瞬时误差函数e(θ,t)的泛函积分评价Jn(θ)为最优控制指标，它是评价控制系统性能的一类标准，是系统动态特性的一种综合性能指标，一般以误差函数的积分形式表示。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，然后经过寻优，搜索出一组PID控制器参数Kc，Ti，Td，使Jn(θ)的取值为最小，此时的PID控制器参数为最优。

PID整定内模整定

根据内模控制系统 , 与常规反馈控制系统间存在的对应关系，必要时对模型进行降阶简化处理，便可完成IMC-PID设计

图中Gp(s)为实际被控过程对象，Gm(s)为被控过程的数学模型，即内部模型，Q(s)为内模控制器，它等于Gm(s)的最小相位部分的逆模型。u为内模控制器的输出，r，y，d分别为控制系统的输入、输出和干扰信号。

为抑制模型误差对系统的影响，增强系统的鲁棒性，在控制器中加人一个低通滤波器F(s)，一般F(s)取最简单形式如下：

公式（6）：

式中阶次n取决于模型的阶次以使控制器可实现，r为时间常数。则内模控制等效的控制器为：

公式（7）：

对于如式(1)表示的一阶加纯滞后过程，采用一阶Pade近似，得到如下模型：

公式（8）：

将式(8)的最小相位部分代入式(7)，可得到如下的PID控制器参数：

公式（9）：

安全阀的整定压力一般不大于压力容器或管道的设计压力。

安全阀的整定压力，除了工艺有特殊要求外，为正常工作压力的1.10倍，最低为1.05倍。