技术领域本发明属于工业自动化和过程控制技术的研究、实验和教学领域，具体涉及一种多变量的工业过程控制实验装置及方法。
背景技术：
工业自动化和过程控制是面向实际工业过程的带有强烈实践性的学科。为了满足工业自动化和过程控制技术的研究、实验和教学需求，迫切需要在实验室环境中建立一种与现场工业环境高度一致的工业过程控制实验装置。现有的各种自动化实验装置和过程控制实验装置存在下列问题：(1)有些实验装置的被控过程是采用机理模型或者控制模型通过matlab软件加以实现的，模型的准确性和实用性不能完全保证，对于实验者而言缺乏直观性；(2)有些实验装置虽然采用物理的被控对象，如多级倒立摆、串联水箱等，虽然可以提高控制难度，但缺乏工业实际背景；(3)有些工业实验装置的物理被控对象含有废水、废气和其他有害物质，对于装置的使用涉及安全性问题；(4)大部分过程控制实验装置中的控制系统、仪表和配电与工业环境差距较大；(5)控制方案单一，不够灵活，不适合多种过程控制策略的实验研究。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种多变量的工业过程控制实验装置及方法。本发明的技术方案：一种多变量的工业过程控制实验装置，包括：被控对象单元、仪表单元、电气单元和控制单元；所述被控对象单元，由第一鼓风机、第二鼓风机、第一电动调节阀、第二电动调节阀、空气加热器和具有两个进口一个出口的三通组成；所述第一鼓风机的入口装有所述第一电动调节阀，第一鼓风机的出口连接所述空气加热器的入口，所述空气加热器的出口连接所述三通的一个进口；所述第二鼓风机的入口装有所述第二电动调节阀，第二鼓风机的出口连接所述三通的另一个进口；所述三通的出口联通大气；所述电气单元，由第一变频器、第二变频器和加热器控制箱组成；所述第一变频器的输出端连接第一鼓风机的输入端；所述第二变频器的输出端连接第二鼓风机的输入端；所述空气加热器控制箱的输出端连接所述空气加热器的输入端；所述第一变频器、第二变频器和加热器控制箱的输入端均连接控制单元的输出端。所述仪表单元，由第一空气流量计、第二空气流量计、第一空气温度计、第二空气温度计和空气压力计组成；所述第一空气温度计和所述第一空气流量计均安装在所述空气加热器的出口处；所述第二空气流量计安装在所述第二鼓风机的出口处；所述第二空气温度计和空气压力计均安装在所述三通的出口处；所述控制单元，为PLC/DCS控制系统；所述电气单元中的第一变频器、第二变频器和加热器控制箱的输入端均连接至控制单元的输出端；所述被控对象单元的第一电动调节阀、第二电动调节阀的控制端连接至控制单元的输出端；所述仪表单元的第一空气流量计、第二空气流量计、第一空气温度计、第二空气温度计和空气压力计的输出端均连接控制单元的输入端；采用所述的多变量的工业过程控制实验装置进行单回路控制实验的实验方法，包括：步骤1：从第一变频器频率、第二变频器频率、第一电动调节阀阀门开度、第二电动调节阀阀门开度和空气加热器加热强度共五个输入变量以及被控对象单元中空气加热器出口处高温气流的流量与温度、第二鼓风机出口处的常温气流流量、三通出口处的中温气流的温度与压力共五个输出变量中，选取有关联关系的输入输出变量进行配对，得到若干输入输出变量对；步骤2：从若干输入输出变量对中任选一对，从而确定一个输入变量和对应的一个输出变量；步骤3：将该输入变量和输出变量分别作为单回路控制系统的控制量和被控量；步骤4：在控制单元中设计单回路控制器；步骤5：启动第一鼓风机、第二鼓风机、空气加热器，手动调整相关变频器频率、电动调节阀阀门开度或者空气加热器加热强度，使得被控对象进入预定的稳态工作点；步骤6：整定单回路控制器参数，完成单回路控制实验。采用所述的多变量的工业过程控制实验装置进行串级控制实验的实验方法，包括：步骤10：从第一变频器频率、第二变频器频率、第一电动调节阀阀门开度、第二电动调节阀阀门开度和空气加热器加热强度共五个输入变量中选择一个变量作为串级控制器的控制量；步骤20：根据串级控制原理，在被控对象单元中空气加热器出口处高温气流的流量与温度、第二鼓风机出口处的常温气流流量共三个输出变量中选择一个变量作为串级控制器内环被控变量；步骤30：选择三通出口处的中温气流的温度作为串级控制器外环被控变量；步骤40：根据所确定控制量、内环被控变量、外环被控变量，在控制单元中设计内环控制器和外环控制器，构建串级控制系统；步骤50：建立实验条件：选择内环被控变量所不在的空气通道，以该空气通道的变频器频率或电动调节阀阀门开度为控制量，构建该通道的空气流量单回路控制器；步骤60：启动第一鼓风机、第二鼓风机、空气加热器，手动调整相关变频器频率、电动调节阀阀门开度或者空气加热器加热强度，使得被控对象进入预定的稳态工作点；步骤70：将步骤50所述的单回路控制器投入自动状态，保证该通道空气流量稳定；步骤80：分别整定内环控制器和外环控制器参数，完成串级控制实验。采用所述的多变量的工业过程控制实验装置进行比值控制实验的实验方法，包括：步骤100：根据比值控制原理，从单回路控制实验的步骤1中所述的若干输入输出变量对中选定具有相互关联关系的两个输入输出变量对；步骤200：将其中的一个输入输出变量对中的输出变量作为主动量，将另一个输入输出变量对中的输出变量作为从动量；步骤300：主动量和从动量分别与其各自对应的输入变量构成主动量控制回路和从动量控制回路两个单回路；步骤400：将主动量乘以比值系数K作为从动量控制回路的设定值；步骤500：在控制单元中分别为主动量控制回路和从动量控制回路设置两个单回路控制器；步骤600：启动第一鼓风机、第二鼓风机、空气加热器，手动调整相关变频器频率、电动调节阀阀门开度或者空气加热器加热强度，使得被控对象进入要求的稳态工作点；步骤700：分别整定两个单回路控制器参数，完成比值控制实验。采用所述的多变量的工业过程控制实验装置进行前馈控制实验的实验方法，包括：步骤01：按照前馈控制原理，从第一变频器频率、第二变频器频率、第一电动调节阀阀门开度、第二电动调节阀阀门开度和空气加热器加热强度共五个输入变量以及被控对象单元中空气加热器出口处高温气流的流量与温度、第二鼓风机出口处的常温气流流量、三通出口处中温气流的温度与压力共五个输出变量中，选取有关联关系的两个输入变量和一个输出变量；步骤02：将步骤01中所选取的两个输入变量中的一个输入变量作为前馈控制系统的控制量，另一个输入变量作为前馈控制系统的可测扰动变量，将步骤01中所选取的输出变量作为前馈控制系统的被控变量；步骤03：根据控制量、扰动变量、被控变量和预定控制目标，在控制单元中设计前馈控制器；步骤04：启动第一鼓风机、第二鼓风机、空气加热器，手动调整相关变频器频率、电动调节阀阀门开度或者空气加热器加热强度，使得被控对象进入预设的稳态工作点；步骤05：整定前馈控制器参数，完成前馈控制实验。采用所述的多变量的工业过程控制实验装置进行非最小相位过程控制实验的实验方法，包括：步骤010：以第二变频器频率或者第二电动调节阀阀门开度为控制量，以第二鼓风机出口处的常温气流流量为被控变量，在控制单元中设计单回路控制器，构成单回路闭环控制；步骤020：以第一变频器频率或者第一电动调节阀阀门开度为控制量，以三通出口处中温气流的温度为被控变量，从而构成非最小相位被控对象；步骤030：在控制单元中设计适合非最小相位被控对象的控制器；步骤040：启动第一鼓风机、第二鼓风机、空气加热器，手动调整相关变频器频率、电动调节阀阀门开度或者空气加热器加热强度，使得被控对象进入预设的稳态工作点；步骤050：将步骤010中所述的单回路控制器投入自动控制以保证常温气流流量恒定；步骤060：整定步骤030所述控制器的参数，完成非最小相位过程控制实验。采用所述的多变量的工业过程控制实验装置进行多变量解耦控制实验的实验方法，包括：步骤D1：从单回路控制实验的步骤1中所述的若干输入输出变量对中选定两组彼此带有耦合关系的输入输出变量对；步骤D2：根据两组输入输出变量对和预定控制目标，在控制单元中设置两个相应的单回路控制器，构成两个单变量控制回路；步骤D3：在控制单元中设计一个解耦器；步骤D4：在步骤D1确定的两组输入输出变量对之外，再选择一输入输出变量对，并设计相应的单回路控制器，构成单回路闭环控制稳定实验条件；步骤D5：启动第一鼓风机、第二鼓风机、空气加热器，手动调整相关变频器频率、电动调节阀阀门开度或者空气加热器加热强度，使得被控对象进入稳态工作点；步骤D6：将步骤D4确定的单回路控制器投入闭环控制；步骤D7：对两个单变量控制回路分别进行动态响应实验，以确定解耦器参数；步骤D8：整定解耦后的步骤D2中所述的两个单回路控制器的参数，完成多变量解耦控制实验。本发明的有益效果：本发明的系统架构、物理含义、设备操作模式、控制方式(包括自动控制和手动控制)与工业现场高度相似，有助于加深实验者和学生对工业自动化和过程控制的相关理念的理解，同时也为先进控制算法提供了工业化的实验验证平台；实验装置的运行不涉及原材料和产品，无污染排放，运行成本只有电费；不涉及高温高压，实验安全性有良好保证；不同的输入输出变量自由组合，可以实现灵活多变的多种控制策略的实验方案；除了不同回路控制策略的实验之外，还可以用来进行过程辨识的实验和设备逻辑控制实验。附图说明图1为本发明一种实施方式的多变量的工业过程控制实验装置的结构示意图；图2为本发明一种实施方式的被控对象单元的结构示意图；图3为本发明一种实施方式的电气单元的结构示意图；图4为本发明一种实施方式的仪表单元的结构示意图；图5为本发明一种实施方式多变量的工业过程控制实验装置的五个输入变量和五个输出变量的示意图；图6为本发明一种实施方式的串级控制系统结构示意图；图7为本发明一种实施方式的比值控制系统结构示意图；图8为本发明一种实施方式的前馈控制系统结构示意图；图9为本发明一种实施方式的非最小相位过程控制系统结构示意图；图10为本发明一种实施方式的多变量解耦系统结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。本实施方式的多变量的工业过程控制实验装置，如图1所示，包括：被控对象单元、仪表单元、电气单元、控制单元和供电配电单元；本实施方式的供电配电单元，用于为被控对象单元、仪表单元、电气单元和控制单元的各用电部件进行供电和配电；其中电动调节阀和鼓风机采用380V进行供电，其他设备采用220V进行供电；本实施方式的被控对象单元，如图2所示，由第一鼓风机、第二鼓风机、第一电动调节阀、第二电动调节阀、空气加热器和具有两个进口一个出口的三通组成；所述第一鼓风机的入口安装所述第一电动调节阀，第一鼓风机的出口通过一段金属管道连接所述空气加热器的入口，所述空气加热器的出口通过另一段金属管道连接所述三通的一个进口，即第一路空气流从第一电动调节阀进入后经过第一鼓风机、空气加热器和两段金属管道后进入三通；所述第二鼓风机的入口装有所述第二电动调节阀，第二鼓风机的出口通过第三段金属管道连接所述三通的另一个进口，即第二路空气流从第二电动调节阀进入后经过第二鼓风机和金属管道后也进入三通；所述三通的出口通过第四段金属管道联通大气。所述第一电动调节阀根据来自控制单元的模拟量指令对对应阀门开度进行调节。所述第二电动调节阀根据来自控制单元的模拟量指令对对应阀门开度进行调节。本实施方式中的第一鼓风机和第二鼓风机均选用型号为YE2-80M1-2的鼓风机，具体规格参数为：风压为840～760Pa；风量为2100～2300m3/h；供电为380VAC；功率为0.75kw；转速为2850r/min；材质为不锈钢。本实施方式中的第一电动调节阀和第二电动调节阀均选用型号为M8410M+A8005ML的不锈钢电动调节阀门。本实施方式中选用的空气加热器具体规格参数为：空气压力范围为0～840Pa；空气流量范围为0～2000～800m3/h(变频)；总功率为6KW，外形尺寸为600*450*300(长*宽*高)，配套控制箱实现加热器启停并接受4～20mA加热指令。金属管道和三通均采用的是DN100的不锈钢材质。本实施方式的被控对象单元的工作过程为，第一鼓风机和第二鼓风机分别对来自大气的两路空气流提供动力输入被控对象，第一电动调节阀和第二电动调节阀分别对这两路空气流提供阻力，通过改变第一鼓风机和第二鼓风机的转速以及改变第一电动调节阀阀门和第二电动调节阀阀门的开度可以调节两路空气流的流量。其中经过第一鼓风机的第一路空气流经空气加热器加热后变成高温气流，经过第二鼓风机的第二路空气流为常温气流，这两路空气流经过三通混合后，成为中温气流，中温气流的流量为高温气流和常温气流的流量之和，中温气流的温度介于高温气流的温度和常温气流的温度之间，中温气流在第四段金属管道中运行一定距离后排至大气。由本实施方式的被控对象单元的工作过程容易理解出本实施方式的被控对象单元的工作原理为：如图5所示，两路不同温度的空气在三通管道内混合，以被控对象单元中的空气加热器出口处高温气流的流量与温度、第二鼓风机出口处的常温气流流量、三通出口处的中温气流的温度与压力为被控变量，以第一变频器频率、第二变频器频率、第一电动调节阀阀门开度、第二电动调节阀阀门开度和空气加热器加热强度为控制输入，组成一个多输入多输出的具有明确物理含义的工业被控对象。本实施方式的仪表单元、电气单元、控制单元和供电配电单元按照最小规模、最小耗电的原则选用工业级别的相关设备进行搭建。本实施方式的电气单元，如图3所示，由第一变频器、第一软启动器、第一马达保护器、第一电气切换装置、第二变频器、第二软启动器、第二马达保护器、第二电气切换装置和加热器控制箱组成；本实施方式的第一变频器和第二变频器均采用的是型号为ACS355-03E-03A3-4(380V/1.1kW)的ABB变频器。本实施方式的第一软启动器和第二软启动器均采用的是型号为PSR3-600-70的ABB软启动器。本实施方式的第一马达保护器和第二马达保护器均采用的是型号为MS116-2.5的ABB马达保护器，并各配常开触点HKF1-11。本实施方式的第一电气切换装置和第二电气切换装置均采用的是型号为OC-SO32的电气切换开关。所述第一变频器、第一软启动器、第一马达保护器、第一电气切换装置、第二变频器、第二软启动器、第二马达保护器、第二电气切换装置和加热器控制箱的输入端以及第一电动调节阀和第二电动调节阀的控制端均连接控制单元的输出端。所述第一变频器的输出端、所述第一软启动器的输出端和所述第一马达保护器的输出端均连接所述第一电气切换装置的输入端；所述第一电气切换装置的输出端连接第一鼓风机的输入端；第一电气切换装置保证在任意时刻至多只有其中一台设备即第一变频器或者第一软启动器或者第一马达保护器可以有效控制第一鼓风机。当通过第一电气切换装置切换至第一变频器工作时，第一鼓风机的转速由第一变频器的频率进行调节，而第一变频器的频率可以通过来自控制单元或者第一变频器操作面板上的频率指令进行调节。当通过第一电气切换装置切换至第一软启动器或第一马达保护器工作时，第一鼓风机恒速运行，其转速不可以由控制单元或者操作面板进行调节。第一变频器、第一软启动器和第一马达保护器都可以根据由来自控制单元或者其各自在电气单元中的操作面板的指令进行设备启停操作。此外，第一电气切换装置还实现第一鼓风机的就地/远程切换操作。所述第二变频器的输出端、所述第二软启动器的输出端和所述第二马达保护器的输出端均连接所述第二电气切换装置的输入端；所述第二电气切换装置的输出端连接第二鼓风机的输入端；第二电气切换装置保证在任意时刻至多只有其中一台设备即第二变频器或者第二软启动器或者第二马达保护器可以有效控制第二鼓风机。当通过第二电气切换装置切换至第二变频器工作时，第二鼓风机的转速由第二变频器的频率进行调节，而第二变频器的频率可以由来自控制单元或者变频器操作面板的频率指令进行调节。当通过第二电气切换装置切换至第二软启动器或第二马达保护器工作时，第二鼓风机恒速运行，其转速不可以由控制单元或者操作面板进行调节。第二变频器、第二软启动器和第二马达保护器都可以根据由来自控制单元或者各自在电气单元中的操作面板的指令进行设备启停操作。此外，第二电气切换装置还实现第二鼓风机的就地/远程切换操作。如图3所示，本实施方式中空气加热器控制箱的输出端连接所述空气加热器的输入端。本实施方式中可以根据来自控制单元或者空气加热器控制箱操作面板的指令对被控对象单元的空气加热器进行远程或就地的启停操作，并通过控制单元发出的标准模拟信号指令对空气加热器的加热强度进行调节。本实施方式的仪表单元，由第一空气流量计、第二空气流量计、第一空气温度计、第二空气温度计和空气压力计组成；本实施方式的第一空气流量计和第二空气流量计均采用的是型号为V100-05-V-R-C2NSL-PSW-89/4的威力巴流量计配型号为EJA110A-GMS4A-92DA差压变送器。威力巴流量计具体规格参数为：介质为空气；压力为760～840Pa；温度为0～50℃；流量范围为100～2300m3/h；管径为DN80；通用螺纹连接型，含05号探头，V指管道为垂直方向，R接头，带不锈钢针阀。本实施方式的第一空气温度计和第二空气温度计采用的是型号为WZP-2316-B3P2M-300A150-AM27的温度变送器，具体规格参数为：介质为空气；测量范围危机0～100℃；压力为840Pa；防水接线盒IP65；分度号为Pt100；精度为B级；保护管材质为0Cr18Ni9；保护管直径为￠16mm；安装方式为采用外螺纹M27X2卯接；输出：4～20mA。本实施方式的空气压力计采用的是型号为EJA110A-GMS4A-92DA的差压变送器，用于中温气流压力检测，具体规格参数为：介质为空气；测量范围为0～1000Pa；输出为4～20mA。如图4所示，所述第一空气温度计安装在所述空气加热器的出口处，用于在线测量高温气流温度，并将温度值传送至控制单元。所述第一空气流量计安装在空气加热器出口处的高温气流管道上，用于在线测量高温气流的流量，并将流量值传送至控制单元。所述第二空气流量计安装在所述第二鼓风机出口处的常温气流管道上，用于测量常温气流的流量，并将流量值传送至控制单元。所述第二空气温度计安装在所述三通出口处，用于在线测量中温气流的温度，并将温度值传送至控制单元。所述空气压力计安装在所述三通出口处的中温气流管道上，用于在线测量中温气流的压力，并将压力值传送至控制单元。所述控制单元，可以选用各种品牌和各种型号的PLC/DCS控制系统。本实施方式的控制单元采用的是SiemensS7-300系列PLC控制系统设备，硬件模块主要由电源模块、CPU模块、IO模块(包括：开关量输入(DI)模块、开关量输出(DO)模块、模拟量输入(AI)模块、模拟量输出模块(AO))、通讯模块等组成；软件采用STEP7软件包和WinCC组态软件(SIMATICWinCC系统软件完全版V7.0；WinCC/WebNavigatorV7.0,BasisPaket；SIMATICS7,STEP7V5.5CHINESEFLOATINGLICENSEF.1USERE-SW,SWANDDOCU.ONDVD,LICENSEKEYONUSBSTICKKLASSEA,2LANGUAGES(E,C),EXECUTABLEUNDERWINXPPROFCHINESE,WIN7PROFCHINESE,WIN7ULTIMATEREFERENCE-HW:S7-300/400,C7；9324-RLD300NXINT；9701-VWSTZHE；9701-VWSB025AZHE等)组成。其中IO模块连接电气单元和仪表单元，负责实时过程信号的采集和控制指令的下达：电气单元中的第一变频器、第一软启动器、第一马达保护器、第二变频器、第二软启动器、第二马达保护器和空气加热器控制箱的输入端均连接至控制单元的输出端；被控对象单元的第一电动调节阀、第二电动调节阀的控制端均连接控制单元的输出端；仪表单元的第一空气流量计、第二空气流量计、第一空气温度计、第二空气温度计和空气压力计的输出端均连接控制单元的输入端。CPU模块完成控制程序的运行，供电模块实现PLC/DCS控制系统内部各模块的供电，通讯模块完成通讯功能。采用本实施方式的多变量的工业过程控制实验装置进行单回路控制实验的实验方法，包括：步骤1：从图5所示的第一变频器频率、第二变频器频率、第一电动调节阀阀门开度、第二电动调节阀阀门开度和空气加热器加热强度共五个输入变量以及被控对象单元中空气加热器出口处高温气流的流量与温度、第二鼓风机出口处的常温气流流量、三通出口处的中温气流的温度与压力共五个输出变量中，选取有关联关系的输入输出变量进行配对，得到若干输入输出变量对；只要根据机理分析，排除无关的输入输出配对关系之后，在剩余的输入输出变量配对中任选一种，即可进行单回路控制的实验。无关的输入输出配对举例如下：空气加热器加热强度u3与所有的流量和压力无关，第二变频器频率u2和第二电动调节阀阀门开度u4与空气加热器出口处高温气流温度无关。步骤2：从步骤1所述的若干输入输出变量对中任选一对，从而确定一个输入变量和对应的一个输出变量；步骤3：将该输入变量和输出变量分别作为单回路控制系统的控制量和被控量；步骤4：根据控制量、被控量和预定控制目标，在控制单元中设计单回路控制器；步骤5：启动第一鼓风机、第二鼓风机、空气加热器，手动调整相关变频器频率、电动调节阀阀门开度或者空气加热器加热强度，使得被控对象进入预定的稳态工作点；步骤6：整定单回路控制器参数，完成单回路控制实验；实施例选择第一变频器频率为输入变量，选择空气加热器出口处高温气流流量作为输出变量。被选择作为输入变量的第一变频器频率和被选择作为输出变量的空气加热器出口处高温气流流量即构成了单回路控制系统的控制量和被控量。根据控制量、被控量和预定控制目标，在控制单元中设计PID控制器，即构成高温气流流量的单回路闭环控制。启动第一鼓风机，将第一变频器频率设为30Hz，第一电动调节阀阀门开度设为80％，等待被控对象进入稳态工作点；最后采用N-Z法整定PID控制器参数，完成单回路控制实验。采用本实施方式的多变量的工业过程控制实验装置进行串级控制实验的实验方法，包括：步骤10：从第一变频器频率、第二变频器频率、第一电动调节阀阀门开度、第二电动调节阀阀门开度和空气加热器加热强度共五个输入变量中选择一个变量作为串级控制器的控制量；步骤20：根据串级控制原理，在被控对象单元中空气加热器出口处高温气流的流量与温度、第二鼓风机出口处的常温气流流量共三个输出变量中选择一个变量作为串级控制器内环被控变量；步骤30：选择三通出口处的中温气流的温度作为串级控制器外环被控变量；步骤40：根据所确定控制量、内环被控变量、外环被控变量，在控制单元中设计内环控制器和外环控制器，构建串级控制系统；步骤50：建立实验条件：选择内环被控变量所不在的空气通道，以该空气通道的变频器频率或电动调节阀阀门开度为控制量，构建该通道的空气流量单回路控制器；步骤60：启动第一鼓风机、第二鼓风机、空气加热器，手动调整相关变频器频率、电动调节阀阀门开度或者空气加热器加热强度，使得被控对象进入预定的稳态工作点；步骤70：将步骤50所述的单回路控制器投入自动状态，保证该通道空气流量稳定；步骤80：分别整定内环控制器和外环控制器参数，完成串级控制实验。实施例如图6所示，首先建立实验条件：以第一变频器频率u1为控制量，以空气加热器出口处高温气流流量y1为被控变量，设计单回路控制器PI控制器，构成单回路闭环控制。在上述实验条件下，如图6所示，选择第二变频器频率u2或者第二电动调节阀阀门开度u4为输入变量，选择第二鼓风机出口处的常温气流流量y2作为内环被控变量，选择三通出口处中温气流的温度y4作为外环被控变量，在控制单元中用软件实现内环控制器P控制器和外环控制器PI控制器；启动第一鼓风机，将第一变频器频率设为30Hz，第一电动调节阀阀门开度设为80％，启动第二鼓风机，将第二变频器频率设为30Hz，第二电动调节阀开度设为80％，启动空气加热器，将空气加热器加热强度设为50％，以温度信号在2分钟内变化不超过1度作为被控对象进入稳态工作点的标志；将高温气流流量回路投入自动控制，以保证空气加热器出口处高温气流流量恒定；分别采用N-Z法整定内环控制器参数和外环控制器参数，先投入内环控制器，再投入外环控制器，完成串级控制实验。采用本实施方式的多变量的工业过程控制实验装置进行比值控制实验的实验方法，包括：步骤100：根据比值控制原理，从单回路控制实验的步骤1中所述的若干输入输出变量对中选定具有相互关联关系的两个输入输出变量对；步骤200：将其中的一个输入输出变量对中的输出变量作为主动量，将另一个输入输出变量对中的输出变量作为从动量；步骤300：主动量和从动量分别与其各自对应的输入变量构成主动量控制回路和从动量控制回路两个单回路；步骤400：将主动量乘以比值系数K作为从动量控制回路的设定值；步骤500：在控制单元中分别为主动量控制回路和从动量控制回路设置两个单回路控制器；步骤600：启动第一鼓风机、第二鼓风机、空气加热器，手动调整相关变频器频率、电动调节阀阀门开度或者空气加热器加热强度，使得被控对象进入要求的稳态工作点；步骤700：分别整定两个单回路控制器参数，完成比值控制实验。实施例如图7所示，以第一变频器频率u1或者第一电动调节阀阀门开度u3作为主动量回路的控制量，以空气加热器出口处高温气流流量y1为被控变量即主动量，设计单回路PI控制器，构成主动量控制回路的单回路闭环控制；以第二变频器频率u2或者第二电动调节阀阀门开度u4作为从动量回路的控制量，以第二鼓风机出口处的常温气流流量y2为被控变量即从动量，设计单回路PI控制器，构成从动量控制回路的单回路闭环控制；将高温气流流量y1的检测值乘以比值K后赋值给从动量控制回路的设定值；启动第一鼓风机，将第一变频器频率设为30Hz，第一电动调节阀开度设为80％，启动第二鼓风机，将第二变频器频率设为30Hz，第二电动调节阀开度设为80％，待系统进行合适的稳态工作点；分别采用N-Z法整定两个单回路PID控制器参数，人工改变主动量控制回路的设定值，当两个控制器同时投入自动且后一个控制器投入比值模式时，使得从动量控制回路按照比例跟随，常温气流流量y2将以比值K为系数随常温气流流量y2同步变化，从而实现比值控制，完成比值控制实验。采用本实施方式的多变量的工业过程控制实验装置进行前馈控制实验的实验方法，包括：步骤01：按照前馈控制原理，从第一变频器频率、第二变频器频率、第一电动调节阀阀门开度、第二电动调节阀阀门开度和空气加热器加热强度共五个输入变量以及被控对象单元中空气加热器出口处高温气流的流量与温度、第二鼓风机出口处的常温气流流量、三通出口处中温气流的温度与压力共五个输出变量中，选取有关联关系的两个输入变量和一个输出变量；步骤02：将步骤01中所选取的两个输入变量中的一个输入变量作为前馈控制系统的控制量，另一个输入变量作为前馈控制系统的可测扰动变量，将步骤01中所选取的输出变量作为前馈控制系统的被控变量；步骤03：根据控制量、扰动变量、被控变量和预定控制目标，在控制单元中设计前馈控制器；步骤04：启动第一鼓风机、第二鼓风机、空气加热器，手动调整相关变频器频率、电动调节阀阀门开度或者空气加热器加热强度，使得被控对象进入预设的稳态工作点；步骤05：整定前馈控制器参数，完成前馈控制实验。实施例如图8所示，以第二变频器频率u2为控制量，以第二鼓风机出口处的常温气流流量y2为被控变量，以第二电动调节阀阀门开度u4为可测扰动变量，分别设计单回路控制器和前馈补偿器，从而构成前馈闭环控制；或者以第二电动调节阀阀门开度u4为控制量，以第二鼓风机出口处的常温气流流量y2为被控变量，以第二变频器频率u2为可测扰动变量，分别设计单回路控制器和前馈补偿器，同样可以实现前馈控制。对高温气流也可以用同样方法实现前馈控制，即以空气加热器出口处高温气流的流量作为被控变量，以第一变频器频率作为控制量，选择第一电动调节阀阀门开度作为可测干扰，在控制单元中用软件实现前馈控制PID控制器，再设计前馈环节将可测干扰的变化补偿给PID控制器；启动第一鼓风机，将第一变频器频率设为30Hz，第一电动调节阀开度设为50％，待被控对象进入合适的稳态工作点，前馈控制器投入运行，人工改变第一电动调节阀开度，从而完成前馈控制实验。采用所述的多变量的工业过程控制实验装置进行非最小相位过程控制实验的实验方法，包括：步骤010：以第二变频器频率或者第二电动调节阀阀门开度为控制量，以第二鼓风机出口处的常温气流流量为被控变量，在控制单元中设计单回路控制器，构成单回路闭环控制；步骤020：以第一变频器频率或者第一电动调节阀阀门开度为控制量，以三通出口处中温气流的温度为被控变量，从而构成非最小相位被控对象；步骤030：在控制单元中设计适合非最小相位被控对象的控制器；骤040：启动第一鼓风机、第二鼓风机、空气加热器，手动调整相关变频器频率、电动调节阀阀门开度或者空气加热器加热强度，使得被控对象进入预设的稳态工作点；步骤050：整定步骤030所述的控制器参数，完成非最小相位过程控制实验。步骤050：将步骤010中所述的单回路控制器投入自动控制以保证常温气流流量恒定；步骤060：整定步骤030所述控制器的参数，完成非最小相位过程控制实验。实施例如图9所示，首先建立实验条件：以第二变频器频率u2或者第二电动调节阀阀门开度u4为控制量，以第二鼓风机出口处的常温气流流量y2为被控变量，设计单回路PI控制器，构成单回路闭环控制。在上述实验条件下，如图9所示，以第一变频器频率u1或者第一电动调节阀阀门开度u3为控制量，以三通出口处中温气流的温度y4为被控变量,从而构成非最小相位被控对象；在控制单元中用软件设计极点配置控制器或者广义最小方差控制器；启动第一鼓风机，将第一变频器频率设为30Hz，第一电动调节阀阀门开度设为80％，启动第二鼓风机，将第二变频器频率设为30Hz，第二电动调节阀阀门开度设为80％，启动空气加热器，将加热强度设为50％，以温度信号在2分钟内变化不超过1度作为被控对象进入稳态工作点的标志；待被控对象进入预定的稳态工作点，将常温气流流量控制器投入自动控制以便保证常温气流流量恒定；极点配置控制器投入运行，从而完成非最小相位过程控制的实验。采用所述的多变量的工业过程控制实验装置进行多变量解耦控制实验的实验方法，包括：实验方法为：步骤D1：从单回路控制实验的步骤1中所述的若干输入输出变量对中选定两组彼此带有耦合关系的输入输出变量对；步骤D2：根据两组输入输出变量对和预定控制目标，在控制单元中设置两个相应的单回路控制器，构成两个单变量控制回路；步骤D3：在控制单元中设计一个解耦器；步骤D4：在步骤D1确定的两组输入输出变量对之外，再选择一输入输出变量对，并设计相应的单回路控制器，构成单回路闭环控制稳定实验条件；步骤D5：启动第一鼓风机、第二鼓风机、空气加热器，手动调整相关变频器频率、电动调节阀阀门开度或者空气加热器加热强度，使得被控对象进入稳态工作点；步骤D6：将步骤D4确定的单回路控制器投入闭环控制；步骤D7：对两个单变量控制回路分别进行动态响应实验，以确定解耦器参数；步骤D8：整定解耦后的步骤D2中所述的两个单回路控制器的参数，完成多变量解耦控制实验。实施例如图10所示，首先建立实验条件：以第二变频器频率u2或者第二电动调节阀阀门开度u4为控制量，以第二鼓风机出口处的常温气流流量y2为被控变量，设计单回路控制器，构成单回路闭环控制，且投入自动控制以便保证常温气流流量恒定。在上述实验条件下，通过如下方式建立双输入输出强耦合被控过程：以第一变频器频率u1为控制量，以三通出口处中温气流的温度y4为被控变量，进行第一回路配对；以空气加热器加热强度u5为控制量，以空气加热器出口处高温气流温度为被控变量，进行第二回路配对；在控制单元中设计并实现两个单回路PID控制器；启动第一鼓风机，将第一变频器频率设为30Hz，第一电动调节阀开度设为80％，启动第二鼓风机，将第二变频器频率设为30Hz，第二电动调节阀开度设为80％，启动空气加热器，将加热强度设为50％，以温度信号在2分钟内变化不超过1度作为被控对象进入稳态工作点的标志；待被控对象进入预设的稳态工作点，对两个控制回路分别进行阶跃响应实验，根据飞升曲线确定耦合回路的传递函数，从而确定解耦器参数，采用N-Z法整定解耦后的控制器参数，完成多变量解耦控制实验。