非线性控制环节.docx

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非线性控制环节

第5章非线性控制环节

5.1闭合回路中的非线性环节

图5.1当回路增益随振荡幅度增加而增大时，通常能实现稳定操作；但是，当回路增益与振荡幅度的变化方向相反时，回路总是要出现振荡

描述函数

限幅器

图5.2限幅器对幅度为A的正弦波的响应是一个幅度为a的削顶正弦波

图5.3限幅器的增益与信号幅度的变化方向相反

死区

图5.4死区环节切掉了正弦波的中间部位

图5.5为了使含有死区的回路对所有的扰动都能稳定，回路应该在大幅度扰动下进行整定

5.2非线性相移环节

滞环

图5.6滞环既产生相移又产生幅度衰减

图5.7滞环的相位滞后随着信号幅度的减小而增加，从而使回路的振荡周期变长

速率限制

图5.8由于受到速率的限制，所以调节阀跟随小信号的变化比跟随大信号显得要快些

图5.9当正弦波的速率超过执行器的速率限制时，会形成三角波振荡

图5.10当幅度趋于零时，速率限制器变得比较线性

负阻

图5.11有些蒸汽喷射泵存在一个负阻区域，在这个区域内没有静态稳定性

图5.12负阻过程将产生90°至180°的相位滞后

图5.13当过程存在负阻特性时，自然周期和动态增益随着迟延时间的增加显著变大

5.3各种类型的开关调节器

双位调节器

图5.14理想的开关调节器用来控制积分过程会形成三角波极限环

图5.15只有偏差超过滞环宽度时，输出状态才会改变

比例-时间控制

图5.16当被调量穿过比例带时，“开”的持续时间占整个周期的百分数是变化的

三位调节器

图5.17三位调节器可以驱动马达正转、反转或者在死区内停止转动

图5.18利用阀位或流量的反馈，使阀门由积分器变成时滞，从而改善控制回路的响应

5.4复式系统的概念

选用两种调节器

最佳切换

图5.19具有迟延的非自衡过程的最小时间控制

图5.20双向最佳切换需要两个开关调节器，它们分别具有可调的切换点

图5.21最小时间程序控制（右图）使中间变量出现超调

图5.22延时器由开关调节器操作

另加一个线性调节器

图5.23在投入PID控制之前，第二个延时器使过程处于静止状态

图5.24程序控制参数调整不合适是很容易判断的

5.5非线性PID调节器

误差平方调节器

图5.25误差平方调节器的比例特性使回路表现出可变的衰减度

图5.26非线性PID调节器能给出比线性调节器更好的设定值响应，但对三区段非线性调节器

图5.27为了有效地控制pH值，需要有一个具有可调宽度z、增益为kz的低增益区

图5.28在pH回路中，采用线性调节器，经调整线性调节器使回路不出现极限环

图5.29非线性PI调节器用于控制含有噪声的流量回路是特别有效的

参考文献

1.Considine,D.M.,ProcessInstrumentsandControlsHandbook,McGraw-Hill,NewYork,1957,p.11—87.

2.Shinskey,F.G.,“LimitCyclesandExpandingCycles,”Instrum.ControlSyst.,November1974.

3.Adiutori,E.F.,TheNewHeatTransfer,Ventuno,Cincinnati,1974,pp.7—24.

4.Shunta,J.P.,andW.Fehervari,“NonlinearControlofLiquiolLevel,”InTech,January1976.

习题

5.1一个线性过程在比例控制下，比例带为20%时，回路出现不衰减振荡。

试问如果把比例带降到10%或5%，将会出现什么现象？

5.2一个具有10s迟延和5min时滞的热工过程，用电磁阀供给冷却剂进行冷却。

如果阀门全打开，则温度下降到0°F；当阀门关闭时，温度上升到60°F。

假设开关调节器是理想的，试估算极限环的周期和幅度。

5.3在习题5.2中，过程所用的开关调节器实际上具有2°F的滞环。

若考虑滞环的影响，试估计极限环的周期和幅度。

5.4一个杠杆由定速可逆马达驱动,其位置由一个三位调节器决定。

马达的速度为每秒全行程的10%，且惯性时间常数为1.0s。

调节器的滞环大于死区，是全行程的2%。

为了防止出现极限环，调节器的死区应该多宽？

5.5试推导一个双容加迟延过程，为实现最佳切换所需的eh和td的表达式。

5.6一个给定的线性过程用线性调节器控制时，比例带设为50%，回路出现不衰减振荡。

如果采用线性度L=0.2的连续非线性调节器控制，试问比例带可以设置到多窄仍然容许有20%的偏差？