第8章 先進過程控制技術(shù)

1、過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章第第 8 8 章章 先進過程控制技術(shù)先進過程控制技術(shù)8.1 概述概述從從40年代開始至今，采用年代開始至今，采用PID控制規(guī)律的單回控制規(guī)律的單回路系統(tǒng)一直是過程控制領(lǐng)域最主要的控制系統(tǒng)，單路系統(tǒng)一直是過程控制領(lǐng)域最主要的控制系統(tǒng)，單回路系統(tǒng)主要采用經(jīng)典控制理論的頻域分析方法進回路系統(tǒng)主要采用經(jīng)典控制理論的頻域分析方法進行控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計。行控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計。PID控制算法簡單、有控制算法簡單、有效，可以實現(xiàn)一般生產(chǎn)過程的平穩(wěn)操作與運行。但效，可以實現(xiàn)一般生產(chǎn)過程的平穩(wěn)操作與運行。但單回路單回路PID控制并不適用于特性復(fù)雜的被控過程，控制

2、并不適用于特性復(fù)雜的被控過程，不能滿足生產(chǎn)工藝的特殊需要和高精度控制的要求。不能滿足生產(chǎn)工藝的特殊需要和高精度控制的要求。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章從從50年代開始，過程控制領(lǐng)域陸續(xù)出現(xiàn)了串年代開始，過程控制領(lǐng)域陸續(xù)出現(xiàn)了串級、比值、前饋、均勻和級、比值、前饋、均勻和Smith預(yù)估控制等控制系預(yù)估控制等控制系統(tǒng)，即所謂的復(fù)雜控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在一定程度統(tǒng)，即所謂的復(fù)雜控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在一定程度上滿足了復(fù)雜生產(chǎn)過程、特殊生產(chǎn)過程工藝以及高上滿足了復(fù)雜生產(chǎn)過程、特殊生產(chǎn)過程工藝以及高精度控制的需要。精度控制的需要。從從60年代初期逐漸發(fā)展起來的以狀態(tài)空間為基年代初期逐漸發(fā)展

3、起來的以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論日趨完善，形成了狀態(tài)反饋、狀礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論日趨完善，形成了狀態(tài)反饋、狀態(tài)觀測、最優(yōu)控制等一系列多變量控制系統(tǒng)的設(shè)計態(tài)觀測、最優(yōu)控制等一系列多變量控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，對自動控制技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動作方法，對自動控制技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動作用。但在生產(chǎn)過程控制中的應(yīng)用卻沒有收到預(yù)期的用。但在生產(chǎn)過程控制中的應(yīng)用卻沒有收到預(yù)期的效果。這是因為：效果。這是因為：1、現(xiàn)代控制理論的設(shè)計方法必、現(xiàn)代控制理論的設(shè)計方法必須依據(jù)被控過程準確的數(shù)學(xué)模型，但生產(chǎn)過程往往須依據(jù)被控過程準確的數(shù)學(xué)模型，但生產(chǎn)過程往往難以用簡單而精確的數(shù)學(xué)模型描述；難以用簡單而精確的數(shù)學(xué)

4、模型描述；2、有些過程、有些過程具有具有過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章非線性、時變性、耦合性和不確定性等特點，即使做非線性、時變性、耦合性和不確定性等特點，即使做了大量簡化得到線性定常模型，并求出某些高等控制了大量簡化得到線性定常模型，并求出某些高等控制策略，但由于這些控制策略的結(jié)構(gòu)和算法往往十分復(fù)策略，但由于這些控制策略的結(jié)構(gòu)和算法往往十分復(fù)雜，在實施中難以準確實現(xiàn)而無法達到預(yù)期的效果。雜，在實施中難以準確實現(xiàn)而無法達到預(yù)期的效果。隨著過程工業(yè)日益走向大規(guī)模、復(fù)雜化，對生產(chǎn)隨著過程工業(yè)日益走向大規(guī)模、復(fù)雜化，對生產(chǎn)過程的控制品質(zhì)要求越來越高，出現(xiàn)了許多過程、結(jié)過程的控制品質(zhì)

5、要求越來越高，出現(xiàn)了許多過程、結(jié)構(gòu)、環(huán)境和控制均十分復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，出現(xiàn)了先進構(gòu)、環(huán)境和控制均十分復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，出現(xiàn)了先進過程控制過程控制APC（亦稱高等過程控制）的概念。關(guān)于先（亦稱高等過程控制）的概念。關(guān)于先進過程控制，目前尚無嚴格而統(tǒng)一的定義。進過程控制，目前尚無嚴格而統(tǒng)一的定義。習(xí)慣上將習(xí)慣上將那些不同于常規(guī)單回路那些不同于常規(guī)單回路PID控制，并具有比常規(guī)控制，并具有比常規(guī)PID控制更好控制效果的控制策略統(tǒng)稱為先進過程控制控制更好控制效果的控制策略統(tǒng)稱為先進過程控制，如自適應(yīng)控制、預(yù)測控制、專家控制、模糊控制、神如自適應(yīng)控制、預(yù)測控制、專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、推理控制等都

6、屬于先進控制。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、推理控制等都屬于先進控制。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章相比于傳統(tǒng)的控制技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的控制技術(shù)，先進控制技術(shù)有以下特點：先進控制技術(shù)有以下特點：1、先進控制的控制策略與傳統(tǒng)的、先進控制的控制策略與傳統(tǒng)的PID控制不同；控制不同；2、先進控制通常用于實現(xiàn)復(fù)雜被控過程的自動控制；、先進控制通常用于實現(xiàn)復(fù)雜被控過程的自動控制；3、先進控制的實現(xiàn)需要足夠的計算能力作為支持平、先進控制的實現(xiàn)需要足夠的計算能力作為支持平臺。臺。本章簡要介紹近年來出現(xiàn)的典型先進控制，這些控本章簡要介紹近年來出現(xiàn)的典型先進控制，這些控制方法在復(fù)雜工業(yè)過程控制中得到了成功的應(yīng)用，

7、制方法在復(fù)雜工業(yè)過程控制中得到了成功的應(yīng)用，受到工程界的歡迎和好評。受到工程界的歡迎和好評。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章8.2 自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制前面討論的控制系統(tǒng)設(shè)計和控制器參數(shù)整定，前面討論的控制系統(tǒng)設(shè)計和控制器參數(shù)整定，都是在假定被控過程特性呈線性、模型參數(shù)固定不都是在假定被控過程特性呈線性、模型參數(shù)固定不變的條件下進行的，但在實際生產(chǎn)中，被控過程的變的條件下進行的，但在實際生產(chǎn)中，被控過程的數(shù)學(xué)模型參數(shù)會隨著生產(chǎn)的不斷進行發(fā)生變化。為數(shù)學(xué)模型參數(shù)會隨著生產(chǎn)的不斷進行發(fā)生變化。為了保證控制品質(zhì)，當對象特性發(fā)生變化時應(yīng)該重新了保證控制品質(zhì)，當對象特性發(fā)生變化時應(yīng)該重新

8、整定控制器參數(shù)。采用常規(guī)整定控制器參數(shù)。采用常規(guī)PID控制不能很好地適控制不能很好地適應(yīng)過程特性參數(shù)的變化，導(dǎo)致控制品質(zhì)下降，產(chǎn)品應(yīng)過程特性參數(shù)的變化，導(dǎo)致控制品質(zhì)下降，產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量不穩(wěn)定。有一種控制系統(tǒng)，它能根據(jù)被產(chǎn)量和質(zhì)量不穩(wěn)定。有一種控制系統(tǒng)，它能根據(jù)被控過程特性變化情況，自動改變控制器的控制規(guī)律控過程特性變化情況，自動改變控制器的控制規(guī)律和可調(diào)參數(shù)，使生產(chǎn)過程始終在最佳狀況下進行，和可調(diào)參數(shù)，使生產(chǎn)過程始終在最佳狀況下進行，這稱為這稱為自適應(yīng)控制系統(tǒng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)該具有以下自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)該具有以下基本功能基本功能：1

9、、辨識被控對象的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能指標的變化，、辨識被控對象的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能指標的變化，建立被控過程的數(shù)學(xué)模型，或確定當前的實際性建立被控過程的數(shù)學(xué)模型，或確定當前的實際性能指標；能指標；2、能根據(jù)條件變化，選擇合適的控制策略或控制、能根據(jù)條件變化，選擇合適的控制策略或控制規(guī)律，并能自動修正控制器的參數(shù)，保證系統(tǒng)的規(guī)律，并能自動修正控制器的參數(shù)，保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)，使生產(chǎn)過程始終在最佳狀況下進行?？刂破焚|(zhì)，使生產(chǎn)過程始終在最佳狀況下進行。 根據(jù)設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)的不同，自適應(yīng)控制系根據(jù)設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)的不同，自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以分為兩大類，即統(tǒng)可以分為兩大類，即自校正控制系統(tǒng)自校正控制系統(tǒng)和和模型參模

10、型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)考自適應(yīng)控制系統(tǒng)。 需要指出需要指出：作為自適應(yīng)的自行修正的控制器：作為自適應(yīng)的自行修正的控制器決不是常規(guī)的決不是常規(guī)的PID控制器，而是一種其參數(shù)允許用控制器，而是一種其參數(shù)允許用外加信號進行調(diào)整的控制器。外加信號進行調(diào)整的控制器。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章8.2.1 自校正控制系統(tǒng)自校正控制系統(tǒng)自校正控制系統(tǒng)的原理如圖所示。自校正控制系統(tǒng)的原理如圖所示。它是在簡單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個外回路，它是在簡單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個外回路，外回路由參數(shù)辨識環(huán)節(jié)和控制器參數(shù)計算環(huán)節(jié)組成。外回路由參數(shù)辨識環(huán)節(jié)和控制器參數(shù)計算環(huán)節(jié)組成。被控過程的輸入信號

11、被控過程的輸入信號 和輸出信號和輸出信號 送入對象參數(shù)送入對象參數(shù)uy過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章辨識環(huán)節(jié)，在線辨識出被控過程的數(shù)學(xué)模型，控制辨識環(huán)節(jié)，在線辨識出被控過程的數(shù)學(xué)模型，控制器參數(shù)計算環(huán)節(jié)根據(jù)辨識得到的數(shù)學(xué)模型設(shè)計控制器參數(shù)計算環(huán)節(jié)根據(jù)辨識得到的數(shù)學(xué)模型設(shè)計控制律，計算和修改控制器參數(shù)，使對象特性發(fā)生變化律，計算和修改控制器參數(shù)，使對象特性發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)性能仍保持或接近最優(yōu)狀態(tài)。時，控制系統(tǒng)性能仍保持或接近最優(yōu)狀態(tài)。自整定自整定控制器控制器就是采用這種原理實現(xiàn)就是采用這種原理實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自整定。參數(shù)的在線自整定。根據(jù)生產(chǎn)過程的特點，采用不同的辨識算

12、法、根據(jù)生產(chǎn)過程的特點，采用不同的辨識算法、控制規(guī)律以及參數(shù)計算方法可設(shè)計出各種類型的自控制規(guī)律以及參數(shù)計算方法可設(shè)計出各種類型的自整定控制器和自校正控制系統(tǒng)。整定控制器和自校正控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章8.2.2 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中，過程的結(jié)構(gòu)參數(shù)（在生產(chǎn)過程中，過程的結(jié)構(gòu)參數(shù)（ ）經(jīng)常會）經(jīng)常會發(fā)生變化，此時采用模型參考自適應(yīng)控制方法尤為發(fā)生變化，此時采用模型參考自適應(yīng)控制方法尤為合適，這種方法適用于過程模型合適，這種方法適用于過程模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的場合。的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的場合。00,K T001sKeT s過程控制系統(tǒng)

13、與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章一、靜態(tài)增益變化的模型參考自適應(yīng)控制一、靜態(tài)增益變化的模型參考自適應(yīng)控制有些工業(yè)生產(chǎn)過程，如熱交換器、有些工業(yè)生產(chǎn)過程，如熱交換器、PH控制過程、控制過程、成分過程等，其靜態(tài)增益經(jīng)常會發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)成分過程等，其靜態(tài)增益經(jīng)常會發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)衰減條件發(fā)生變化。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以通衰減條件發(fā)生變化。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以通過對調(diào)整環(huán)節(jié)系數(shù)過對調(diào)整環(huán)節(jié)系數(shù)A的修改，自動維持整個開環(huán)靜態(tài)增的修改，自動維持整個開環(huán)靜態(tài)增益的穩(wěn)定。益的穩(wěn)定。這種系統(tǒng)不需要專門的在線辨識裝置，調(diào)整控這種系統(tǒng)不需要專門的在線辨識裝置，調(diào)整控制系統(tǒng)控制規(guī)律和參數(shù)的依據(jù)是被

14、控過程輸出制系統(tǒng)控制規(guī)律和參數(shù)的依據(jù)是被控過程輸出y(ty(t) )相對于理想模型輸出相對于理想模型輸出y ym m(t(t) )的廣義偏差的廣義偏差e(te(t) )。通過。通過調(diào)整控制規(guī)律和參數(shù)，使系統(tǒng)的實際輸出調(diào)整控制規(guī)律和參數(shù)，使系統(tǒng)的實際輸出y(ty(t) )盡可盡可能與參考模型輸出能與參考模型輸出y ym m(t(t) )一致。一致。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章參考模型是模擬過程正常工況下的模型，它表參考模型是模擬過程正常工況下的模型，它表示了控制系統(tǒng)的性能要求，可由比例、慣性與時延環(huán)示了控制系統(tǒng)的性能要求，可由比例、慣性與時延環(huán)節(jié)組成。參考模型與實際過程輸出的

15、偏差稱為模型誤節(jié)組成。參考模型與實際過程輸出的偏差稱為模型誤差，即差，即 ，它可作為過程特性變化的識別。，它可作為過程特性變化的識別。它通過調(diào)整機構(gòu)來修正被控系統(tǒng)參數(shù)，以便使其性能它通過調(diào)整機構(gòu)來修正被控系統(tǒng)參數(shù)，以便使其性能接近參考模型性能。接近參考模型性能。( )dE sYX過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章自適應(yīng)控制系統(tǒng)的調(diào)整環(huán)節(jié)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的調(diào)整環(huán)節(jié)A由下式組成，即由下式組成，即zAus在過程參數(shù)變化之前，在過程參數(shù)變化之前，z0或者或者Au。自適應(yīng)控制系統(tǒng)的目標函數(shù)選為：自適應(yīng)控制系統(tǒng)的目標函數(shù)選為：2( )Je t dt（1）根據(jù)最陡下降法，系統(tǒng)調(diào)整系數(shù)根據(jù)最陡下降

16、法，系統(tǒng)調(diào)整系數(shù) 為為A0dAJdtK 式中：式中： 為修改增益系數(shù)，通常通過調(diào)整試驗確定。為修改增益系數(shù)，通常通過調(diào)整試驗確定。由式（由式（1）可得）可得00( )2( )Je te tdtKK（2）（3）過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章由圖可知000000( )( )()11ssK eKeE sM sT sTs（4）因此有00000( )( )( )( )1sE sM s eY sY sKT sKK（5）因為1000( )( )( )e tE sy tLKKK（6）將式（6）代入式（3），可得000( )22( )( ) ( )Jy te tdte t y t dtKKK（

17、7）將式（7）代入式（2），可得1( ) ( )idAe t y t dtdtT 式中： 02iKT（8）過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章所以1( )( ) ( )iA te t y t dtdtT （9）令1( )( ) ( )iz te t y t dtT （10）則1( )( )A sZ ss因此，因此， 變化的模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)整環(huán)節(jié)變化的模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)整環(huán)節(jié)構(gòu)成如下：構(gòu)成如下：( )( )( ( )( )( ( )Z sA sU sA sU ss式（式（11）只需要一個乘法器和一個積分器就可構(gòu)成，）只需要一個乘法器和一個積分器就可構(gòu)成，也可由外接積分反饋的

18、也可由外接積分反饋的PI調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)。調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)。（11）0K過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章二、純時延時間變化模型參考自適應(yīng)控制二、純時延時間變化模型參考自適應(yīng)控制在生產(chǎn)過程中，負荷變化常常表現(xiàn)出純時延特性的變在生產(chǎn)過程中，負荷變化常常表現(xiàn)出純時延特性的變化化。系統(tǒng)的操作周期與純時延時間系統(tǒng)的操作周期與純時延時間 有關(guān)，有關(guān)， 的變化會的變化會引起操作周期的變化，而操作周期的變化會引起調(diào)節(jié)引起操作周期的變化，而操作周期的變化會引起調(diào)節(jié)器和過程動態(tài)增益的變化。為了維持系統(tǒng)原來的衰減器和過程動態(tài)增益的變化。為了維持系統(tǒng)原來的衰減度，必須相應(yīng)改變調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的系數(shù)度，必須相應(yīng)改變調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的系數(shù)A，以維持控制回，以維持控制回路的開環(huán)增益不變。路的開環(huán)增益不變。選擇系統(tǒng)的調(diào)整公式為：選擇系統(tǒng)的調(diào)整公式為：000dAJdt 式中：式中： 為修改系數(shù)。為修改系數(shù)。（12）0000( )( )()( )1sE sM s K essY sT s （13）過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第8章章所以所以0( )( )e tdy tdt 將式（將式（14）代入式（）代入式（3）可得）可得（14）0( )2( )()