双态仿真控制技术（上海）有限公司

控制设计实训

2STATES控制设计实训是基于高保真2STATES动静态建模和仿真软件基础上开发的典型实例。实例包括与控制设计和应用有关的设备选型，控制器选型，控制过程建模，控制器整定和控制性能评估。实例包括
     1.控制阀门选型和流量特性曲线测试
     2.控制阀门摩擦力对流量控制影响
     3.流量控制非线性问题及解决方案
     4.变频驱动泵和控制阀门方案比较
     5.生产过程动态测试和模型辨识
     6.PID控制器开环整定和闭环整定
     7.模型预测控制(MPC)设计和实现
     8.PID和MPC性能比较
     9.液位控制系统
    10.板式精馏塔控制
    11.填料塔控制

系统模型辨识

传递函数闭环系统模型辨识

闭环系统模型辨识

传递函数模型辨识细节设置界面

模型辨识结果

模型辨识曲线图

实际工业过程开环系统模型辨识

PID与MPC控制性能比较流程图

换热器E-21进出口温度变化趋势图

换热器E-21管侧进口流体流量变化趋势图

设置结束后点击辨识按钮开始模型参数回归。回归参数结果如图20。延迟时间tao=11s，增益K = 0.3036，时间常数 T = 29.51 s，衰减因子E = 1.573

模型辨识结果

模型辨识模型辨识曲线图

PID控制与辨识后的MPC控制运行结果比较图

典型过程控制回路控制器整定

双态仿真软件提供了优越的环境和完备的工具用于控制器设计和整定。双态仿真软件的高保真建模为模型辨识提供了精确的数据来源。
软件提供了多种开环和闭环控制系统的整定方法供用户选择。用户能够用这些方法来获取PID控制参数，并能验证这些参数在不同条件下的控制性能。
过程控制多数具有各种非线性特性，只有高保真机理模型才能很好的再现实际系统中的非线性特性，也只有建立在高保真机理模型基础上的控制器参数整定才能应用于实际工况的控制器。

PID在线整定过程趋势图

对于常用流量和压力控制回路，控制阀动态性能受各种非线性行为影响，如非线性安装特性（增益）、分辨率限制、粘滑运动、非对称行程响应、行程速度限制和死区等，因此控制阀的高保真建模对于描述控制系统、流量及压力控制器的参数整定有决定性作用。
气动控制阀系统由阀体、执行机构、定位器或带有可选空气调节器和放大器的I/P 转换器组成，所有这些组件都需要精确建模，各组件和通过阀门的工艺流体之间的相互作用也必须用精确机理模型模拟，只有这样才能准确模拟控制阀在系统的真实情况。

阀门的机理模型和简化模型的性能比较

高阻力阀显示出粘滑运动行为

流量控制流量控制

高、低摩擦力阀门运行比较流程图


高低摩擦力阀门流量控制性能比较	高低摩擦力阀门分辨率比较

流量控制可以通过调节阀门开度控制，也可以通过调节离心泵转速来控制（变频控制）。变频流量控制在节能降耗方面具有重要意义。图30的仿真流程不仅比较了阀门控制与变频控制系统的性能，还量化了节能的效果。

流量阀门控制与离心泵变频控制比较流程图

流量阀门控制与离心泵变频控制性能比较

流量阀门控制与离心泵变频控制运行数据

实际过程流量控制器开环优化整定

温度控制

PID与MPC温度控制在给中等负载变化条件下的控制性能比较

PID与MPC温度控制在给高负载变化条件下的控制性能比较

流体组分控制

流体组分控制多见于化工反应过程、分离过程及流体混合过程中，精馏塔分离组分控制可通过灵敏板温度控制或直接组分控制来实现。

精馏塔组分控制模拟流程图


保守的PID组分控制器在线手动整定趋势图	激进的PID组分控制器在线手动整定趋势图

流体组分流体组分控制器在线手动闭环整定

压力控制系统开环优化整定

SmitSmith时延补偿器对控制性能影响

Smith 时延补偿器对控制性能影响>

有无Sm有无Smith时延补偿器对比趋势图

控制器PID参数闭环优化整定

参数整定设置界面

控制器P控制器PID参数开环优化整定

PID优化整定流程图>

控制器运行趋势图


控制器整定界面

控制器PID参数闭环优化整定（利用整定准则）

利用整定准则闭环优化整定上述过程，获得闭环整定所需要的控制器增益Kp和震荡周期Pu数值，将控制器设置为比例控制器，并将增益Kp设置为0.5。
等幅震荡等幅震荡。通过三次调整，发现当控制器增益Kp=2时(此时的Kp被称为Kc)，控制系统开始呈现等幅震荡，再通过调整手动偏差为12%，可以使输入值在设定值附近做等幅震荡，从图77中可以看出震荡周期Pu = 12s。

控制器运行趋势图（放大图）>