非线性控制系统

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1、第2篇先进控制控制系统第8章非线性控制系统前面的章节所讨论的都是线性系统，但是实际上，大多数物理过程都具有一定程度的非线性。即使如此，如果系统的非线性程度不高，或者仅存在于较窄的操作范围内，可将其近似为一个线性系统来进行处理，则前面所讨论的控制技术，例如常规PID控制仍旧是有效的。但是对于一些具有不可忽视的非线性的过程，这种方法就不适用了。这种情况下，采用非线性控制策略能进一步提高控制品质。随着控制理论的进展，自动化技术工具的发展，尤其是计算机的使用，使非线性控制系统在工业控制中逐步多了起来。如果对非线性控制

2、系统粗略地进行分类，可以分为两类：一类过程是线性的(或近似按线性处理)，为了满足控制系统的某种要求或改善控制系统质量而引入非线性的控制规律；另一类过程本身是非线性的，引入非线性的补偿元件或控制规律，以达到系统规定的控制指标。8．1线性过程的非线性控制8．1．1液位的非线性控制(1)均匀控制的实现kp0e不灵敏区图8—1非线性控制器比例部分的输出特性在均匀控制系统一节中，曾提到可以采用非线性控制规律来实现均匀控制，其中最常用的是采用带不灵敏区的非线性控制。这种带不灵敏区的非线性控制规律如图8-1所示。当系统偏差

3、e在不灵敏区内，控制器的增益很小，即δ很大；偏差e超出不灵敏区后，控制器增益将增大(增大十倍或更多)。利用非线性控制规律实现均匀控制的原理较简单，只要根据工艺允许的液位波动范围，合理设置不灵敏区宽度，就能做到在较小的外扰作用下，使液位偏差信号在不灵敏区内变化，非线性控制器工作在小增益区域，从而输出变化不大，控制阀的开度变化也不大，流量仅仅在小范围内波动。也就是说，液位在允许范围内波动的同时，流量不至于有较大的变化，达到液位和流量的均匀控制。只有在较大的外扰作用进入系统时，液位偏差信号一旦超出不灵敏区，非线性控

4、制器才工作在高增益区域，其控制作用有一个较大的输出变化，使流量也产生一个较大的变化。但这种作较大变化的时间是短暂的，因为较强的控制作用驱使流量作较大的变化，可以很快地把液位偏差信号拉回到不灵敏区，于是整个系统又回复到上述的不灵敏区内的工作情况。因此，这种非线性液位控制系统经常工作在不灵敏区范围内，液位和流量均在小范围内波动，仅仅为了有力地克服大扰动作用，系统才工作在高增益区，造成流量的较大波动，但这种情况是不太多的，维持的时间也是较短的。实际系统的组成可采用单回路控制或非线性串级控制等形式，其系统构成分别示于

5、图8—2(a)、(b)。引入非线性串级均匀控制，有利于减少流量的波动，适用于控制阀前后压力波动较大的场合。189(2)非线性控制器的类型及应用情况带不灵敏区的非线性控制器的实际类型是很多的，这里介绍常用的几种。①控制器是具有PI或PID作用的(当然对用于实际均匀控制目的的液位系统，D作用一般是不需要的)，控制器在不灵敏区内外仅仅是增益KC发生了变化，例如可相差十倍，而积分时间Ti是不变化的。有些资料上称其为A型。②控制器是具有PI作用的，控制器从不灵敏区内到不灵敏区外，在增益KC增加的同时，Ti随之减少，例如

6、KC增加十倍，Ti将缩小十倍。有些资料上称其为B型。可以说它的不灵敏区不仅对于增益高低而言，也是对积分作用的强弱而言。非线性控制器FiFiLC非线性控制器LCFCFoFo(a)单回路非线性液位控制系统(b)串级非线性液位控制系统图8—2非线性液位控制系统③控制器是具有PI作用的，在不灵敏区内通过上、下限报警器，切断内设定信号而以测量信号代之，因此偏差始终为零。这样，不灵敏区成了真正的死区，比例增益趋近于零，积分作用基本消失。这类非线性控制器如果就不灵敏区内外PI作用的变化情况而言，与上述的B型极为相似。这些不

7、同类型的带不灵敏区的非线性控制器已用于过程控制中，实现均匀控制的目的。在实际应用中，其参数整定还需考虑到以下几点。①液位控制器(非线性控制器)的比例带(指不灵敏区外的控制作用)必须比通常均匀控制的液位控制器的比例带小，这才能有利于当液位偏差一旦超出不灵敏区后，能较快地把液位拉回到不灵敏区内。一般来说，δ减少得越多，液位就越能迅速地调回到不灵敏区内，而流量的波动却要加大。②不灵敏区宽度的设置应视工艺要求而定。一般地说，应略低于工艺允许的极限值，以便液位超出不灵敏区后有一定的控制过程，同时，流量也不至于有过大的波

8、动。③不灵敏区内增益KC的设定。一般说来KC小些是有利的，有时也可按工艺对被控变量的品质要求来设定。KC的增大有利于液位的控制，而要牺牲一些流量的平稳。在实际应用时，可以把KC的大小与不灵敏区的宽度综合起来考虑。不灵敏区设置宽一些，则KC也应略选大一些。189在使用过程中，对A、B两种类型的非线性控制器的效果进行分析比较证实：B型非线性控制器较为理想，它不仅能使液位参数得到较好的控制质量，而且在超出