過程控制系統(tǒng)培訓(xùn)

過程控制系統(tǒng)

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控制系統(tǒng)的組成及工作原理自動(dòng)控制系統(tǒng)由被控對(duì)象、檢測元件（包括變送器）、控制器和執(zhí)行器（閥）4部分組成。對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)的基本要求是穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，這三者是互相制約、互相矛盾的。如果穩(wěn)定性過高，相比之下快速性就受到一定影響?？刂破鲌?zhí)行器（閥）對(duì)象檢測元件或變送器設(shè)定x+-測量z操縱變量偏差e(給水)擾動(dòng)f(水位)控制變量y自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖23過程控制的目標(biāo)從生產(chǎn)過程的角度看，過程控制實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)：安全性：確保生產(chǎn)過程中人身與設(shè)備的安全，主要措施包括：對(duì)重要參數(shù)設(shè)置定值控制、采取參數(shù)超限報(bào)警與事故報(bào)警、設(shè)置自動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)等；經(jīng)濟(jì)性：即實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化或操作成本的最小化，常用方法：采用約束控制與操作最優(yōu)化技術(shù)；穩(wěn)定性：即要求系統(tǒng)具有抑制外部干擾，保持生產(chǎn)過程長期穩(wěn)定運(yùn)行的能力。常用方法：結(jié)合工業(yè)對(duì)象特性與控制理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性與魯棒性分析。4信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)

國際電工委員會(huì)（IEC）于1973年4月通過信號(hào)傳輸?shù)膰H標(biāo)準(zhǔn)：現(xiàn)場傳輸信號(hào)：直流4~20mA；控制室內(nèi)儀表間的聯(lián)絡(luò)信號(hào)：直流1~5V.

適用范圍：

DDZ-Ⅲ型、數(shù)字儀表、DCS系統(tǒng)等5信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)DDZ-Ⅰ型、DDZ-Ⅱ

型儀表采用的信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)為：

0~10mADC，或0~5VDC

兩種標(biāo)準(zhǔn)的比較：

這種以20mA表示信號(hào)的滿度值，而以此滿度值的20%即4mA表示零信號(hào)的安排，稱為“活零點(diǎn)”。6信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)“活零點(diǎn)”的優(yōu)點(diǎn)：有利于識(shí)別斷電、斷線等故障，且為實(shí)現(xiàn)兩線制提供了可能性。所謂“兩線制”變送器就是將供電的電源線與信號(hào)的輸出線合并起來，一共只用兩根導(dǎo)線。使用兩線制變送器不僅節(jié)省電纜，布線方便，且大大有利于安全防爆，因?yàn)闇p少一根通往危險(xiǎn)現(xiàn)場的導(dǎo)線，就減少了一個(gè)竄進(jìn)危險(xiǎn)火花的門戶。78控制系統(tǒng)中常用名詞術(shù)語被控對(duì)象被控變量操縱變量干擾設(shè)定值偏差9系統(tǒng)中各基本環(huán)節(jié)的作用被控對(duì)象：指要進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。檢測裝置：用來檢測被控量，并將其轉(zhuǎn)換成與給定量同一物理量。給定環(huán)節(jié)：是設(shè)定被控量給定值的裝置。比較機(jī)構(gòu)：將檢測的被控量和給定值進(jìn)行比較，確定兩者之間的偏差。控制器：根據(jù)偏差的正負(fù)、大小及變化情況，按預(yù)定的控制規(guī)律實(shí)施控制作用，比較機(jī)構(gòu)和控制器通常組合在一起，它們可以是氣動(dòng)控制器、電動(dòng)控制器、可編程控制器、分布式控制器等。執(zhí)行器：接受控制器送來的信號(hào)，相應(yīng)地改變操縱變量以穩(wěn)定被控變量，最常用的執(zhí)行器是氣動(dòng)薄膜控制閥。10被控變量：被控對(duì)象中，通過控制能達(dá)到工藝要求設(shè)定值的工藝變量。設(shè)定值：被控變量的希望值，由工藝要求決定。測量值：被控變量的實(shí)際測量值。偏差：設(shè)定值與被控變量的測量值（統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)）之差。操縱變量：由控制器操縱，能使被控變量恢復(fù)到設(shè)定值的物理量或能量。擾動(dòng)：除操縱變量外，作用于生產(chǎn)過程對(duì)象并引起被控變量變化的隨機(jī)因素。系統(tǒng)中各基本環(huán)節(jié)的作用11對(duì)象特性所謂對(duì)象特性就是指在輸入作用下，其輸出變量（被控變量）隨時(shí)間變化而變化的特性。通常，認(rèn)為對(duì)象有兩種輸入，即操縱變量輸入信號(hào)和外界擾動(dòng)信號(hào)，其輸出信號(hào)只有一個(gè)被控變量。對(duì)象的負(fù)荷：當(dāng)生產(chǎn)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，單位時(shí)間流入或流出對(duì)象的物料或能量稱為對(duì)象的負(fù)荷，也叫生產(chǎn)能力。對(duì)象的自衡：如果對(duì)象的負(fù)荷變化后，無需外加控制作用，被控變量能夠自行穩(wěn)于一個(gè)新的穩(wěn)定值，這種性質(zhì)被稱為對(duì)象的自衡性。有自衡性的對(duì)象易于自動(dòng)控制。12對(duì)象的自衡特性13描述對(duì)象特性的三個(gè)參數(shù)一個(gè)具有自衡性質(zhì)的對(duì)象，在輸入作用下，其輸出最終變化了多少，變化的速度如何，以及它是如何變化的，可以由放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T、滯后時(shí)間τ加以描述。放大系數(shù)K：是指對(duì)象的輸出信號(hào)（被控變量）的變化量與引起該變化的輸入信號(hào)（操縱變量或擾動(dòng)信號(hào)）變化量的比值。時(shí)間常數(shù)T：是反映對(duì)象在輸入變量作用下，被控變量變化快慢的一個(gè)參數(shù)。滯后時(shí)間τ：有的過程對(duì)象在輸入變量后，輸出不是立即隨之變化的，而是需要間隔一定的時(shí)間后才發(fā)生變化。這種對(duì)象的輸出變化落后于輸入變化的現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。滯后時(shí)間τ就是描述對(duì)象滯后現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)參數(shù)，滯后時(shí)間τ分為純滯后τ0和容量滯后τn；τ0是由對(duì)象傳輸物料或能量需要時(shí)間而引起的，一般由距離與速度來確定，而τn一般由多容或大容量的設(shè)備而引起，滯后時(shí)間τ=τ0+τn

。對(duì)于控制通道來說希望τ越小越好，而對(duì)于擾動(dòng)通道來說希望τ適度大點(diǎn)好。14系統(tǒng)的滯后檢測系統(tǒng)特性的影響主要表現(xiàn)為時(shí)間滯后的作用。造成系統(tǒng)滯后的主要原因有：被測對(duì)象滯后：測量點(diǎn)不能及時(shí)反映參數(shù)的變化。存在容積滯后和/或傳遞滯后。檢測元件滯后：因熱容、熱阻等慣性因素的影響，導(dǎo)致檢測儀表的輸出不能及時(shí)反映參數(shù)的變化。信號(hào)傳遞滯后：主要是氣動(dòng)信號(hào)傳遞較慢導(dǎo)致系統(tǒng)反映滯后。15

自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類由于自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用及控制理論的發(fā)展，使得控制系統(tǒng)具有各種各樣的形式。按控制系統(tǒng)被調(diào)參數(shù)的變化規(guī)律可分為兩大類，即開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)（被控變量）不反饋到系統(tǒng)的輸入端，因而也不對(duì)控制作用產(chǎn)生影響的系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)又分兩種：一種是按設(shè)定值進(jìn)行控制；另一種是按擾動(dòng)量進(jìn)行控制，即所謂前饋控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)（被控變量）通過測量變送環(huán)節(jié)，又返回到系統(tǒng)的輸入端，與給定信號(hào)比較，以偏差的形式進(jìn)入調(diào)節(jié)器，對(duì)系統(tǒng)起控制作用，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)封閉的反饋回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)按照設(shè)定值情況不同，又可分為3種類型：1、定值控制系統(tǒng)；2、隨動(dòng)控制系統(tǒng)（自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)）；3、程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）16閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和作用1、閉環(huán)控制系統(tǒng)組成2、各環(huán)節(jié)的作用

溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)圖17典型控制系統(tǒng)

按照控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)可以分為簡單控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)兩大類。所謂簡單控制系統(tǒng)，通常是指由一個(gè)測量元件、變送器、控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象所構(gòu)成的回路閉環(huán)系統(tǒng)，因此也稱為單回路控制系統(tǒng)。所謂復(fù)雜，乃是相對(duì)于簡單而言的。一般來說，凡是結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜或控制目的上較為特殊的控制系統(tǒng)，都可以稱為復(fù)雜控制系統(tǒng)。通常復(fù)雜控制系統(tǒng)是多變量的，具有兩個(gè)以上變送器、控制器或執(zhí)行器所組成的多個(gè)回路的控制系統(tǒng)，所以又稱為多回路控制系統(tǒng)。常見的復(fù)雜控制系統(tǒng)有串級(jí)、均值、比值、分程、選擇性、前饋、三沖量等系統(tǒng)。18PID:控制領(lǐng)域的常青樹為什么在工業(yè)過程控制中大都（將近90%以上）采用PID控制器？

“PID控制器作為工業(yè)控制中的主導(dǎo)控制器結(jié)構(gòu)，其獲得成功應(yīng)用的關(guān)鍵在于，大多數(shù)過程可由低階動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)（一階或二階慣性加純滯后，簡記作：FOPDT及SOPDT）近似逼近，而針對(duì)此類過程，PID控制器代表了一個(gè)實(shí)用而廉價(jià)的解?！?920

簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)由被控對(duì)象、測量元件、變送器、控制器和執(zhí)行器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂破鲌?zhí)行器被控對(duì)象測量變送器設(shè)定x+-測量z偏差e干擾f被控變量y簡單控制系統(tǒng)方框圖21簡單控制系統(tǒng)

控制器控制規(guī)律的選擇及參數(shù)整定

1)控制規(guī)律的選擇目前工業(yè)上常用的控制器主要有三種控制規(guī)律：比例控制規(guī)律、比例積分控制規(guī)律、比例積分微分控制規(guī)律，分別簡寫為P、PI和PID。在生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)中，經(jīng)常將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)作用結(jié)合起來，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)，或稱PID調(diào)節(jié)。在其輸入輸出數(shù)學(xué)表達(dá)式中，有三個(gè)特征常數(shù)，比例帶δ（P）、積分時(shí)間TI、微分時(shí)間TD，用來表示比例積分微分的調(diào)節(jié)特性。比例帶是比例的倒數(shù)，用百分?jǐn)?shù)表示，所以比例帶越大，比例越小。當(dāng)比例積分微分調(diào)節(jié)器輸入一個(gè)階躍偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)信號(hào)等于比例作用、積分作用、微分作用三部分輸出之和。比例作用的輸出與偏差的大小成正比；積分作用的輸出與偏差的變化速度成正比，輸出變化量的大小不僅取決于偏差的大小，而且取決于偏差存在的時(shí)間長短，只要有輸入偏差存在，輸出就一直變化，只有在輸入偏差為零時(shí)，輸出才不再變化，可見積分作用能消除偏差；微分作用的輸出與偏差的變化速率成正比，根據(jù)偏差變化速度的快慢而進(jìn)行調(diào)節(jié)的，這叫做超前作用，只要偏差變化一露頭，調(diào)節(jié)就立即起作用，當(dāng)偏差沒有變化時(shí)，微分調(diào)節(jié)不起作用。三個(gè)特征參數(shù)的作用順序?yàn)椋寒?dāng)有偏差輸入時(shí)，微分作用立即動(dòng)作，使調(diào)節(jié)器輸出突然發(fā)生大幅度變化，然后就慢慢下降，比例作用也同時(shí)動(dòng)作，偏差減小，再按照積分作用動(dòng)作，隨著時(shí)間的增加，積分作用越來越起主導(dǎo)作用，最后慢慢把偏差消除掉。22比例調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)就是根據(jù)被控參數(shù)的偏差大小成比例地輸出控制信號(hào)來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。放大系數(shù)與比例帶比例調(diào)節(jié)過程的靜差比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)比例調(diào)節(jié)的輸出增量和輸入增量呈一一對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系；比例調(diào)節(jié)反應(yīng)速度快，輸出與輸入同步，沒有時(shí)間滯后，因此其動(dòng)態(tài)特性很好；比例調(diào)節(jié)的結(jié)果不能使被調(diào)參數(shù)完全回到給定值，存在靜差（余差），這是由比例調(diào)節(jié)特性所決定的。比例帶選擇的一般原則：若對(duì)象較穩(wěn)定（即對(duì)象的靜態(tài)放大系數(shù)較小、時(shí)間常數(shù)不太小、滯后較?。瑒t比例帶可選的小些，這樣可以提高整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度，使反應(yīng)速度加快些；相反，若對(duì)象放大系數(shù)較大，滯后時(shí)間較大，時(shí)間常數(shù)較小，則應(yīng)當(dāng)把比例帶可選大一些，以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比例帶的選取，是調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的主要內(nèi)容。2324積分調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)作用是調(diào)節(jié)器的輸出變化量與輸入偏差值隨時(shí)間的積分成正比，也即輸出的變化速度與輸入偏差成正比。積分調(diào)節(jié)效果與應(yīng)用采用積分調(diào)節(jié)器可以消除靜差，這是積分調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)之一；積分調(diào)節(jié)過程十分緩慢，其過渡過程拖得很長，被調(diào)參數(shù)變化幅度很大。2526微分調(diào)節(jié)理想微分調(diào)節(jié)的輸出變化量與輸入偏差速度成正比。偏差沒有變化微分調(diào)節(jié)不起作用。微分調(diào)節(jié)主要用于克服調(diào)節(jié)對(duì)象的較大的傳遞滯后和容量滯后。理想微分調(diào)節(jié)是不能單獨(dú)使用的，它總是依附于比例調(diào)節(jié)或比例積分調(diào)節(jié)。27小結(jié)比例調(diào)節(jié)：最簡單，響應(yīng)迅速，易整定；但存在靜差。比例積分調(diào)節(jié)：最常用，無靜差，較純積分調(diào)節(jié)快速；適用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較小，負(fù)荷變化不很大的系統(tǒng)。如流量、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。對(duì)于滯后較大的系統(tǒng)效果不好。比例微分調(diào)節(jié)：可提高穩(wěn)定裕度，進(jìn)而加大比例增益，加快調(diào)節(jié)過程，減小靜差和動(dòng)差。但對(duì)于高頻擾動(dòng)頻繁、純滯后較大的系統(tǒng)效果不理想。

28PID調(diào)節(jié)舉例舉一個(gè)給水箱加水的例子，來說明以上關(guān)系。當(dāng)看到水箱水位低于預(yù)想值時(shí)，我們的大腦馬上想到開大閥門給水箱加水，給水量會(huì)很大，如果預(yù)見到閥門開得過大，水位難以控制，很快會(huì)超過預(yù)想值，又會(huì)慢慢關(guān)小閥門，來控制加水量，這就是微分作用；同時(shí)，閥門開大或關(guān)小，決定了不同的給水量，水位按照不同的比例上漲，這就是比例作用；不管閥門開大與關(guān)小，達(dá)到預(yù)想水位的時(shí)間不同，閥門開度越大，需要時(shí)間越短，閥門開度越小，需要時(shí)間越長。通常情況下，隨著時(shí)間的增加，水位慢慢地達(dá)到預(yù)想值，我們?cè)偃リP(guān)死閥門，但是在關(guān)死閥門的過程中，仍然會(huì)有給水量，水位會(huì)超過預(yù)想值。為了更好地控制水位，我們會(huì)慢慢關(guān)小閥門，逐漸減少給水量，直到水位達(dá)到預(yù)想值時(shí)，閥門正好關(guān)死，這需要一定的時(shí)間段，閥門關(guān)小幅度越小，需要時(shí)間越長，反之亦然，這就是積分調(diào)節(jié)作用。如果選擇適當(dāng)?shù)奶卣鲄?shù)，就能充分發(fā)揮比例、積分、微分調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，得到較為滿意的調(diào)節(jié)效果。29簡單控制系統(tǒng)2）控制器參數(shù)的工程整定首先要建立一個(gè)概念，自動(dòng)調(diào)節(jié)是建立在波動(dòng)不大、比較平穩(wěn)的基礎(chǔ)之上。在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)投運(yùn)初期，由于工藝波動(dòng)比較大，應(yīng)該手動(dòng)調(diào)節(jié)，并且速度不宜過快，以免引起工藝更大的波動(dòng)。待工藝基本平穩(wěn)后，再投入自動(dòng)狀態(tài)。在自動(dòng)調(diào)節(jié)過程中，如果由于某中原因造成比較大的工藝波動(dòng)，應(yīng)該由自動(dòng)切換到手動(dòng)狀態(tài)，待調(diào)整穩(wěn)定后，再切換到自動(dòng)狀態(tài)。自動(dòng)、手動(dòng)切換要求實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換PID調(diào)節(jié)器特征參數(shù)整定整定的方法很多，最常用的方法有：臨界比例度法衰減曲線法經(jīng)驗(yàn)湊試法30PID參數(shù)工程整定方法

31工程整定法-臨界比例度法步驟： （1）先將PID控制器中的積分與微分作用切除，取比例帶PB較大值，并投入閉環(huán)運(yùn)行； （2）將PB由大到小變化，對(duì)應(yīng)于某一PB值作小幅度的設(shè)定值階躍響應(yīng)，直至產(chǎn)生等幅振蕩； （3）設(shè)等幅振蕩時(shí)所對(duì)應(yīng)的振蕩周期為Tm、控制器比例帶Pm

，則通過查表，根據(jù)控制器類型選擇PID參數(shù).局限性：生產(chǎn)過程有時(shí)不允許出現(xiàn)等幅振蕩，或者無法產(chǎn)生等幅振蕩。321.臨界比例度法具體方法：在純比例控制（Ti=0，TD=

）條件下通過試驗(yàn)獲得臨界比例度

K；再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算實(shí)際參數(shù)值

、Ti

、TD

。使用條件：臨界比例法廣泛應(yīng)用于放大倍數(shù)較小，即控制器輸出范圍較小的系統(tǒng)；使用臨界比例法必須是工藝系統(tǒng)允許短時(shí)間震蕩的情形。33PID參數(shù)工程整定方法34Ziegler-Nichols反應(yīng)曲線法35工程整定法-反應(yīng)曲線法實(shí)驗(yàn)步驟：362.衰減曲線法具體方法：在純比例控制（Ti=0，TD=

）條件下通過試驗(yàn)選擇適宜的比例度

s使系統(tǒng)呈現(xiàn)4：1的衰減比；再根據(jù)所得的比例度和衰減周期通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算實(shí)際參數(shù)值

、Ti

、TD

。使用條件：干擾作用不太頻繁；干擾作用的規(guī)律性較強(qiáng)。37工程整定法-試湊法3839PID參數(shù)工程整定方法三、控制器參數(shù)的自整定：403.經(jīng)驗(yàn)湊試法具體方法：根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)選擇適宜的控制參數(shù)

、Ti

、TD

；在實(shí)際運(yùn)行過程中對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。使用條件：干擾作用頻繁；干擾作用的規(guī)律性較差。41PID調(diào)節(jié)器特征參數(shù)整定

簡單的調(diào)節(jié)系統(tǒng)整定方法有：經(jīng)驗(yàn)湊試法、衰減曲線法、臨界比例度法、反應(yīng)曲線法。工程中最常用的是經(jīng)驗(yàn)湊試法。整定參數(shù)尋“最佳”，從大到小順序差。先是比例后積分，最后再把微分加；曲線震蕩很頻繁，比例帶盤要加大；曲線波動(dòng)周期長，積分時(shí)間再加長；理想曲線兩個(gè)波，調(diào)節(jié)過程質(zhì)量高。在加積分作用之前，應(yīng)將比例帶增加20%左右。總的原則是，震蕩過強(qiáng)，則加大比例帶，延長積分時(shí)間；回復(fù)過慢，則縮小比例帶，縮短積分時(shí)間，最后引入微分作用，引入微分作用后，可將比例帶縮小20%左右，積分時(shí)間也可放小一點(diǎn)。微分時(shí)間也要湊試，以使過度時(shí)間最短，超調(diào)最小。一般只有在管道壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)或震蕩過大的系統(tǒng)中，才使用微分調(diào)節(jié)。42控制規(guī)律與環(huán)節(jié)的正反作用常用控制一般都采用PID控制，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)比例常數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間常數(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種控制規(guī)律。實(shí)際控制系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)都有正反作用規(guī)律：測量環(huán)節(jié)：間接指標(biāo)可能與直接指標(biāo)反向?qū)?yīng)；控制環(huán)節(jié)：可以用被測參數(shù)減去設(shè)定值，也可以用設(shè)定值減去被測參數(shù)；執(zhí)行環(huán)節(jié)：控制信號(hào)的加大可以導(dǎo)致執(zhí)行結(jié)果的加大（如氣開閥）或減少（如氣關(guān)閥）。43調(diào)節(jié)器和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正、反作用當(dāng)偏差值（設(shè)定值-實(shí)際值）減小，輸出值減小，調(diào)節(jié)器為正作用，當(dāng)偏差值減小，輸出值增大，調(diào)節(jié)器為反作用。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩部分。當(dāng)輸入信號(hào)增大，閥門開大，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為正作用，也叫氣開式；當(dāng)輸入信號(hào)增大，閥門關(guān)小，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為反作用，也叫氣閉式或氣關(guān)式。正反作用的調(diào)節(jié)器和正反作用的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合，可以滿足工藝調(diào)整的不同要求。44“正反作用”方式曲線描述45“正反作用”方式的選擇46練習(xí)：調(diào)節(jié)閥與控制器的選取47控制系統(tǒng)投運(yùn)準(zhǔn)備工作熟悉工藝過程，了解主要工藝流程、主要設(shè)備的功能、控制指標(biāo)和要求；熟悉控制方案，對(duì)測量元件和控制閥的安裝位置、管線走向、工藝介質(zhì)性質(zhì)等都要心中有數(shù)；熟悉自動(dòng)化工具的工作原理和結(jié)構(gòu)儀表檢查投運(yùn)前應(yīng)對(duì)儀表進(jìn)行現(xiàn)場校驗(yàn)檢查控制器的正、反作用及控制閥的氣開、氣閉型式投運(yùn)前必須仔細(xì)檢查控制閥的投運(yùn)控制器的手動(dòng)和自動(dòng)切換無擾動(dòng)切換控制器參數(shù)的整定48復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)

這里，把在簡單反饋回路中再增加計(jì)算環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)或其他環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)稱為復(fù)雜控制系統(tǒng)。但從輸入和輸出變量的關(guān)系來看，總體上仍基本是單一的。這些系統(tǒng)在50年代已有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展、它們?cè)墙?jīng)典控制理論的產(chǎn)物，當(dāng)時(shí)用常規(guī)儀表來實(shí)現(xiàn)。但到今天．它們也可用現(xiàn)代控制理論來分析，更多用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，在

DCS裝置中都備有很多種復(fù)雜控制系統(tǒng)的算法模塊。

復(fù)雜控制系統(tǒng)包括：串級(jí)、比值、前饋、選擇性控制系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)有的以它們的結(jié)構(gòu)命名，有的以功能特征或原理命名，因此出現(xiàn)了交叉的復(fù)雜局面，而且它們還可以相互融合，幾者結(jié)合在一起。在各自特定的情況下，采用復(fù)雜控制系統(tǒng)對(duì)提高控制品質(zhì)，擴(kuò)大自動(dòng)化應(yīng)用范圍．起著關(guān)鍵性的作用。作為粗略估計(jì)．復(fù)雜控制回路通常約占全部控制回路數(shù)的10％。49復(fù)雜控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)多沖量（多參數(shù)）調(diào)節(jié)系統(tǒng)前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)新型控制系統(tǒng)

50515253對(duì)調(diào)節(jié)滯后的解決方法之一

對(duì)于冷卻水方面的擾動(dòng)，如冷卻水的入口溫度、閥前壓力等擾動(dòng)，夾套冷卻水溫度T2比反應(yīng)槽溫度T1能更快地感受到。因而可設(shè)計(jì)夾套水溫單回路控制系統(tǒng)TC2以盡快地克服冷卻水方面的擾動(dòng)。但TC2的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)T1的控制要求作相應(yīng)的變化（這一要求可用反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)器TC1來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)）?！按?jí)控制”54反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制方案55

反應(yīng)器溫度串級(jí)控制框圖565758串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)是應(yīng)用較早和目前應(yīng)用較多的一種復(fù)雜控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)常用名詞：主參數(shù)副參數(shù)主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器主回路副回路59串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)從總體上來看，仍然是一個(gè)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此主參數(shù)在擾動(dòng)作用下的調(diào)節(jié)過程和單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程具有相同的品質(zhì)指標(biāo)和類似的方法。但與單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)與之相聯(lián)的副回路，因而有其自己的特點(diǎn)。副控制器調(diào)節(jié)閥副對(duì)象副變送器e2e1主變送器主對(duì)象串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖主控制器60串級(jí)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于副回路的快速作用，因而對(duì)進(jìn)入系統(tǒng)的擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力。串級(jí)調(diào)節(jié)效果比單回路調(diào)節(jié)效果大大提高，這是串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個(gè)突出特點(diǎn)。正確運(yùn)用這一特點(diǎn)可以大大提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于副回路起了改善調(diào)節(jié)對(duì)象特性的作用，即使擾動(dòng)作用點(diǎn)處于副回路的外面，然而由于副回路減小了調(diào)節(jié)對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，能改善系統(tǒng)過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)。串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。61

比值控制系統(tǒng)

凡是用來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的物料按一定比例關(guān)系關(guān)聯(lián)控制，以達(dá)到某種控制目的的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)（RateControlSystem）。比值控制系統(tǒng)是以功能來命名的。需要保持比值關(guān)系的兩種物料，必有一種處于主導(dǎo)地位，我們稱此物料流量為主參數(shù)或主流量，如燃燒比值系統(tǒng)中的燃料量；另一種物料流量稱為副參數(shù)或副流量，如燃燒比值系統(tǒng)中的空氣量（含氧量）。比值控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)主參數(shù)與副參數(shù)的對(duì)應(yīng)比值關(guān)系。一般主流量隨外界負(fù)荷需要而變，可測但不可控；副流量可測且可控，且供應(yīng)有余，可供調(diào)節(jié)，使之成比例地改變，保證二者之比值不變。626364656667比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)

比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：在工業(yè)生產(chǎn)中很大場合需要兩種（或兩種以上）物料按一定的比例混合，比例失調(diào)時(shí)則不能正常生產(chǎn)或可能造成生產(chǎn)事故。比值控制方案：開環(huán)比值控制方案：以一個(gè)參數(shù)的測定值控制另一個(gè)參數(shù),實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用較少單閉環(huán)比值控制方案：以一個(gè)參數(shù)的測定值計(jì)算出另一個(gè)參數(shù)閉環(huán)控制的設(shè)定值,實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用廣泛雙閉環(huán)比值控制方案：以一個(gè)單閉環(huán)參數(shù)的測定值計(jì)算另一個(gè)參數(shù)閉環(huán)控制的設(shè)定值,僅在要求較高的場合使用變比值控制系統(tǒng)：由串級(jí)控制系統(tǒng)和比值控制系統(tǒng)組合而成，在串級(jí)控制系統(tǒng)中亦可稱為串級(jí)比值控制系統(tǒng)。比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投運(yùn)和調(diào)節(jié)器參數(shù)整定：在比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于構(gòu)成方案和工藝要求不同，參數(shù)整定后其過渡過程的要求也不同。對(duì)于變比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因主參數(shù)調(diào)節(jié)器相當(dāng)于串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的主參數(shù)調(diào)節(jié)器，其調(diào)節(jié)器應(yīng)按主參數(shù)的要求而定且應(yīng)嚴(yán)格保持不變。對(duì)于閉環(huán)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主動(dòng)物料回路，可按單回路流量定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求整定，即在受到干擾作用后，既要有較小的超調(diào)，又能較快地回到給定值。目前，人們認(rèn)為其調(diào)節(jié)器在階躍干擾作用下，被調(diào)參數(shù)應(yīng)以（4~10）：1衰減比為整定要求。68多沖量（多參數(shù)）調(diào)節(jié)系統(tǒng)多沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的出現(xiàn)，是由于在汽包液位單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，不能克服虛假液位所帶來的影響，故在液位調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)上再引入輔組沖量，例如蒸汽流量或給水流量信號(hào)，從而構(gòu)成多沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。多沖量調(diào)節(jié)的基本形式：輔助沖量的引入點(diǎn)位于主調(diào)節(jié)器的后面；輔助沖量的引入點(diǎn)位于主調(diào)節(jié)器的前面。確切的講多沖量調(diào)節(jié)的目的不是以某一信號(hào)作為被調(diào)參數(shù)，而是以幾個(gè)沖量的代數(shù)和作為被調(diào)參數(shù)，所以整個(gè)系統(tǒng)可以看做是以多沖量的綜合信號(hào)為被調(diào)參數(shù)的單回路定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此它的動(dòng)態(tài)特性及其整定方法和單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)是相同的。但是又和單回路有所區(qū)別，即使調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，也仍然不能保持某一沖量在過渡過程結(jié)束時(shí)能回到自己的原始狀態(tài)，只能使它們的綜合信號(hào)恢復(fù)到本身的給定值。691.汽包水位的控制問題被調(diào)量：汽包水位，用H(s)表示調(diào)節(jié)量：汽包給水量，用G(s)表示主要干擾： 蒸汽負(fù)荷（蒸汽流量），用D(s)表示通道對(duì)象： 非自衡、非最小相位、非線性等特性說明：

汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)被調(diào)量是汽包水位，調(diào)節(jié)量是給水流量。它主要考慮汽包內(nèi)部物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)。70汽包水位干擾通道特性71汽包水位調(diào)節(jié)通道特性72液位非自衡對(duì)象響應(yīng)測試（1）手動(dòng)改變控制器的輸出信號(hào)u(k)，觀察被控變量y(k)的變化過程。（2）由階躍響應(yīng)曲線得到對(duì)象基本特征參數(shù)

。73汽包水位的單沖量控制注意：這里的單沖量指汽包水位。74汽包水位的雙沖量控制75汽包水位的雙沖量控制76汽包水位的雙沖量控制C1

的取值比較簡單，可取為1，也可小于1。C1

和調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)的乘積是整個(gè)反饋回路的放大系數(shù)。例如，假設(shè)調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)閥，C1

=1，則調(diào)節(jié)器為正作用。設(shè)置C0的目的是使其在正常負(fù)荷下，調(diào)節(jié)器和加法器的輸出都能有一個(gè)比較適中的數(shù)值。

控制閥氣開與氣關(guān)的選用，一般從生產(chǎn)安全角度考慮。如果高壓蒸汽是供給蒸汽透平壓縮機(jī)或汽輪機(jī)，那么為保護(hù)這些設(shè)備選用氣開閥為宜；如果蒸汽僅僅用作加熱劑，為保護(hù)鍋爐以采用氣關(guān)閥為宜。77汽包水位的雙沖量控制

雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的不足：調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定能成為線性特性，要做到靜態(tài)補(bǔ)償比較因難；對(duì)于給水系統(tǒng)的干擾仍不能克服。為此可再將給水流量信號(hào)引入，構(gòu)成三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。7879808182前饋控制的基本思想前饋思想：相對(duì)于串級(jí)控制，這里是在擾動(dòng)還未影響輸出以前，更及時(shí)地調(diào)整操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動(dòng)的影響。前饋控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是信息的向前流動(dòng)，而且系統(tǒng)沒有利用被調(diào)量，因?yàn)槿绻昧吮徽{(diào)量就相當(dāng)于構(gòu)成了閉環(huán)反饋。前饋控制器正是利用已知的給定值去改變調(diào)節(jié)量，同時(shí)測量擾動(dòng)并對(duì)其做出補(bǔ)償，以使被調(diào)量達(dá)到設(shè)定值。

83前饋控制的基本思想前饋思想：

單純從擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)慕嵌葋砜?，在上述前饋控制系統(tǒng)中，從擾動(dòng)作用點(diǎn)（負(fù)荷分量的變化）到被調(diào)量之間實(shí)際上存在著兩條平行的通道，即過程干擾通道以及前饋補(bǔ)償通道；如果這兩個(gè)通道對(duì)輸出影響的大小相同，而作用方向相反，則系統(tǒng)輸出量完全不受擾動(dòng)的影響，即實(shí)現(xiàn)了不變性，這就是所謂實(shí)現(xiàn)不變性的雙通道原理。84852.前饋控制與反饋控制

在過程控制領(lǐng)域中，前饋和反饋是兩類并列的控制方式，為了分析前饋控制的基本原理，首先對(duì)反饋控制和前饋控制的特點(diǎn)作一比較：1、反饋控制的特性：①反饋控制的本質(zhì)是“基于偏差的控制”。如果沒有偏差出現(xiàn)，也就沒有控制作用了。②無論擾動(dòng)發(fā)生在哪里，總要等到引起被控量發(fā)生偏差后，調(diào)節(jié)器才動(dòng)作，故調(diào)節(jié)器的動(dòng)作總是落后于擾動(dòng)作用的發(fā)生，是一種“不及時(shí)”的控制。

86前饋控制與反饋控制③反饋控制系統(tǒng)，因構(gòu)成閉環(huán)，故而存在一個(gè)穩(wěn)定性問題。即使組成閉環(huán)系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)都是穩(wěn)定的，閉環(huán)后是否穩(wěn)定，仍然需要作進(jìn)一步的分析。

④引起被控量發(fā)生偏差的一切擾動(dòng)，均被包圍在閉環(huán)內(nèi)，故反饋控制可消除多種擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。也可以說，對(duì)各處的擾動(dòng)均有校正作用。

⑤反饋控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律通常是P、PI、PD、PID等典型規(guī)律。87前饋控制與反饋控制2、前饋控制的特性：①

前饋控制器是“基于擾動(dòng)的控制”，故前饋控制又稱為“擾動(dòng)補(bǔ)償”。②

擾動(dòng)發(fā)生后，前饋控制器“及時(shí)”動(dòng)作，對(duì)抑制被控量由于擾動(dòng)引起的動(dòng)、靜態(tài)偏差比較有效。③前饋控制屬開環(huán)控制，所以只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。④只對(duì)被前饋的可測而不可控的主要擾動(dòng)有校正作用，而對(duì)系統(tǒng)中的其他擾動(dòng)無校正作用。因此，前饋控制具有指定性補(bǔ)償?shù)木窒扌?。⑤前饋控制器的控制?guī)律，取決于被控對(duì)象的特性，因此．有時(shí)控制規(guī)律比較復(fù)雜。88前饋控制與反饋控制3、不變性原理與前饋控制器：

不變性原理是實(shí)現(xiàn)前饋控制的理論基礎(chǔ)?！安蛔冃浴笔侵缚刂葡到y(tǒng)的被控量與擾動(dòng)量完全無關(guān)，或在一定準(zhǔn)確度下無關(guān)。然而進(jìn)入控制系統(tǒng)中的擾動(dòng)必然通過被控對(duì)象的內(nèi)部聯(lián)系、使被控量發(fā)生偏離其給定值的變化。而不變性原理是通過前饋控制器的校正作用，消除擾動(dòng)對(duì)被控量的這種影響。89前饋控制的局限性

①前饋控制屬開環(huán)控制方式

在開環(huán)控制下被控量的偏差沒有進(jìn)行檢驗(yàn)。在前面所討論的換熱器溫度前饋控制的例子中，被控溫度是不存在反饋的，因此，如果前饋控制效果不佳，或其它擾動(dòng)出現(xiàn)，被控溫度將偏離給定值，由于前饋系統(tǒng)無法獲得這一偏差信息而不能做進(jìn)一步的校正。故單純的前饋控制方案一般不宜采用。90前饋控制的局限性②完全補(bǔ)償難以滿足前饋控制只有在實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，才能使得系統(tǒng)得到良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。但完全補(bǔ)償幾乎是難以做到的，因?yàn)椋篴)要準(zhǔn)確地掌握過程擾動(dòng)通道特性及控制通道特性是不容易的，故而前饋控制器模型難以準(zhǔn)確；且被控對(duì)象常含有非線性特性，在不同的運(yùn)行工況下其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)將產(chǎn)生明顯的變化，原有的前饋模型此時(shí)就不能適應(yīng)了，因此無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)上的完全補(bǔ)償。b)即使前饋模型能準(zhǔn)確求出．有時(shí)工程上也難以實(shí)現(xiàn)。91前饋控制的局限性c)實(shí)際的生產(chǎn)過程中，往往同時(shí)存在著若干個(gè)擾動(dòng),如上述換熱器溫度系統(tǒng)中，物料流量、物料入口溫度、蒸汽壓力等的變化均將引起出口溫度的變化。如果要對(duì)一種擾動(dòng)都實(shí)行前饋控制，就是對(duì)每一個(gè)擾動(dòng)至少使用一套測量變送儀表和一個(gè)前饋控制器，這將會(huì)使控制系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，從而將增加大量自動(dòng)化設(shè)備的投資；另外，尚有一些擾動(dòng)量至今無法對(duì)其實(shí)現(xiàn)在線測量，而若僅對(duì)某些可測擾動(dòng)進(jìn)行前饋控制，則無法消除其它擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。這些因素均限制了前饋控制的應(yīng)用范圍。92前饋控制是按照干擾作用的大小進(jìn)行校正的。當(dāng)某一干擾出現(xiàn)后，調(diào)節(jié)器就對(duì)調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，校正干擾對(duì)被調(diào)參數(shù)的影響。因?yàn)樗恼{(diào)節(jié)特點(diǎn)是當(dāng)干擾作用發(fā)生后，被調(diào)參數(shù)的變化還未顯示出來，調(diào)節(jié)器就已經(jīng)產(chǎn)生了調(diào)節(jié)作用，從而沒有反饋調(diào)節(jié)冗長過程，因而被稱為“前饋調(diào)節(jié)”。如果前饋控制能恰到好處的話，則可使被調(diào)參數(shù)不會(huì)因干擾作用而產(chǎn)生偏差所以這種調(diào)節(jié)要比反饋調(diào)節(jié)及時(shí)的多，并且它不受對(duì)象滯后大小的影響。前饋控制的特點(diǎn)：一是按干擾量進(jìn)行調(diào)節(jié)；二是不管調(diào)節(jié)的效果如何。前饋控制是開環(huán)控制的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)補(bǔ)償沒有檢驗(yàn)的手段，因此，無法知道被控變量是否存在偏差，也就無法做進(jìn)一步的校正。而實(shí)際對(duì)象中常有多個(gè)擾動(dòng)存在，有的擾動(dòng)還不可測。因此，單獨(dú)采用前饋控制是很難滿足工藝生產(chǎn)要求的。在實(shí)際使用中往往采用前饋——反饋相結(jié)合的控制方案。主要擾動(dòng)用前饋來迅速克服，其他干擾仍由反饋控制系統(tǒng)來克服，從而大大提高了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)直流，滿足工藝生產(chǎn)的控制要求。前饋調(diào)節(jié)適用于：擾動(dòng)變化頻繁而且幅值較大的場合；主要干擾可測而不可控的場合；擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響顯著，單純的反饋控制難以達(dá)到控制要求的場合。前饋控制系統(tǒng)

93

時(shí)滯補(bǔ)償技術(shù)預(yù)測控制技術(shù)自適應(yīng)控制技術(shù)解耦控制技術(shù)新型控制系統(tǒng)94時(shí)滯補(bǔ)償技術(shù)

典型時(shí)滯過程大時(shí)滯過程的常規(guī)控制方法

Smith預(yù)估補(bǔ)償算法及其性能

95典型時(shí)滯過程

純滯后（或容量滯后）產(chǎn)生的主要原因有：

①物料及能量在管道或容器中的傳輸及運(yùn)送時(shí)間；

②物質(zhì)反應(yīng)及能量交換需要一定的過程；

③許多設(shè)備串聯(lián)在一起；

④測量裝置的時(shí)間滯后，

⑤執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間。96大時(shí)滯過程

具有純滯后過程被公認(rèn)為是較難控制的過程，其難控程度將隨著純滯后占整個(gè)過程動(dòng)態(tài)份額的增加而增加，一般認(rèn)為純滯后時(shí)間與主要時(shí)間常數(shù)之比超過0.3，甚至更大，則說該過程是具有大延遲的過程。比值越大，難控程度越大，因此，純滯后過程的控制一直受到許多學(xué)者的關(guān)注,成為重要的研究課題之一。97時(shí)滯的影響

處于調(diào)節(jié)通道的對(duì)象純滯后環(huán)節(jié)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能是不利的。

從時(shí)域響應(yīng)來看，首先使得被調(diào)量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，其次即使測量信號(hào)到達(dá)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器立刻作出補(bǔ)償動(dòng)作，也需要經(jīng)過純延遲時(shí)間以后才能反映在被調(diào)量上，使之受到控制。因此，這樣的過程必然會(huì)產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和較長的調(diào)節(jié)時(shí)間。從頻域上看，純滯后環(huán)節(jié)具有單位幅值，但相位滯后量卻隨頻率成線性增長，因此，會(huì)導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度降低，甚至不穩(wěn)定。98時(shí)滯補(bǔ)償技術(shù)

典型時(shí)滯過程

大時(shí)滯過程的常規(guī)控制方法

Smith預(yù)估補(bǔ)償算法及其性能

99大時(shí)滯過程的常規(guī)控制方法

對(duì)于純滯后環(huán)節(jié)，由于測量信號(hào)中已不包含關(guān)于過程未來變化的足夠信息，通過微分進(jìn)行預(yù)測是不可能的，所以大純滯后過程一般都只使用PI控制算法。采樣PI控制的基本思想是仿照有經(jīng)驗(yàn)的操作工的操作，因而算法簡單實(shí)用，同樣不需要對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。圖3.1是采樣PI控制的動(dòng)作時(shí)間圖，其中，為采樣周期，為控制時(shí)間。

100采樣PI控制PI-HLD(CNT1=2)控制器：類似手動(dòng)控制；適用于大純滯后對(duì)象，或?qū)Τ{(diào)要求嚴(yán)格的場合。采樣周期：并且：其中：為擾動(dòng)時(shí)間常數(shù)101時(shí)滯補(bǔ)償技術(shù)

典型時(shí)滯過程大時(shí)滯過程的常規(guī)控制方法

Smith預(yù)估補(bǔ)償算法及其性能

102Smith補(bǔ)償控制算法標(biāo)準(zhǔn)Smith補(bǔ)償控制器的數(shù)字調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)103Smith補(bǔ)償?shù)木窒扌許mith補(bǔ)償從理論上較好地解決了純滯后系統(tǒng)的控制問題，最大的優(yōu)點(diǎn)是將時(shí)滯環(huán)節(jié)移到了閉環(huán)之外,使控制品質(zhì)大大提高。

Smith控制仍有缺陷，因?yàn)?①時(shí)滯補(bǔ)償需要準(zhǔn)確的過程數(shù)學(xué)模型，控制性能對(duì)模型誤差較敏感；

②預(yù)估長度限于時(shí)滯長度。因?yàn)?，根?jù)上面的分析可以看出，其基本上是針對(duì)階躍狀擾動(dòng)（當(dāng)然過程控制領(lǐng)域內(nèi)，大多數(shù)擾動(dòng)為階躍狀的）具有很好的預(yù)估效果，而當(dāng)存在建模誤差時(shí)，預(yù)估不是十分準(zhǔn)確的；模型失配較大時(shí),甚至可能不穩(wěn)定。104時(shí)滯補(bǔ)償技術(shù)

典型時(shí)滯過程大時(shí)滯過程的常規(guī)控制方法

Smith預(yù)估補(bǔ)償算法及其性能

105主要內(nèi)容

時(shí)滯補(bǔ)償技術(shù)

預(yù)測控制技術(shù)自適應(yīng)控制技術(shù)解耦控制技術(shù)106模型預(yù)測控制模型預(yù)測控制概述控制器設(shè)計(jì)控制器參數(shù)調(diào)整過程約束多變量控制1071.概述工業(yè)上對(duì)多變量控制器的要求:直接從過程數(shù)據(jù)建立對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型；能夠顯式地包含過程約束信息；變量關(guān)聯(lián)的完全補(bǔ)償；有效且可靠的在線實(shí)現(xiàn)。108模型預(yù)測控制

模型預(yù)測控制

（

ModelPredictiveControl——MPC）滿足所有上面提到的要求；將控制問題系統(tǒng)地描述成優(yōu)化問題；能夠把所有可得到的輸入都可用于控制每一個(gè)輸出；是最成功的多變量過程控制技術(shù)；至少有5,000套過程控制系統(tǒng)在采用；AspenTechnology&Honeywellmajorvendors109

預(yù)測控制的基本思想110預(yù)測控制的基本思想具有可測擾動(dòng)的一般MBPC控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1112.控制器設(shè)計(jì)預(yù)測時(shí)域(P)上的誤差向量：如果控制時(shí)域

M=P如果M<P，則可獲得更好的性能

112實(shí)際問題為避免過大的輸入變化，需要增加罰函數(shù)項(xiàng)：改進(jìn)的控制律：滾動(dòng)時(shí)域的實(shí)現(xiàn)：計(jì)算輸入:{Dun,Dun+1,…,Dun+M-1}；由于建模誤差，不實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制序列；只將第一個(gè)輸入付諸實(shí)現(xiàn)：Dun在下一采樣時(shí)刻獲取新的對(duì)象測量值；重新計(jì)算輸入序列。1133.控制器的參數(shù)調(diào)整MPC調(diào)整參數(shù)：采樣周期:Ts調(diào)整時(shí)間:N預(yù)測時(shí)域:P控制時(shí)域:M輸出加權(quán)矩陣:W1輸入加權(quán)矩陣:W2114控制器的參數(shù)調(diào)整Ts,N&P通常根據(jù)具體問題來定義參數(shù)效果：增大M會(huì)使得控制器動(dòng)作更加劇烈；對(duì)角矩陣W1用于輸出尺度調(diào)整；通過進(jìn)一步增大對(duì)角元素，則重點(diǎn)會(huì)更多地放在輸出上。對(duì)角矩陣W2用于輸入尺度調(diào)整；通過進(jìn)一步增大對(duì)角元素，則重點(diǎn)會(huì)更多地放在輸入上。

一般有如下原則，即“二次型函數(shù)中相對(duì)于未來預(yù)測遠(yuǎn)區(qū)間成本，近期成本權(quán)重越小，控制將會(huì)變得越發(fā)平滑和更加魯棒”。1154.過程約束過程約束的一般原因：設(shè)備的物理限制；安全上的考慮；生產(chǎn)或產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)；數(shù)學(xué)描述：輸入和輸出變量的不等式約束；由于可行性問題，避免等式約束；116過程約束MPC求解：目標(biāo)函數(shù)維持不變；預(yù)測模型附加一組等式約束；一組輸入/輸出不等式約束；優(yōu)化問題不大可能存在解析解；成為二次規(guī)劃(QP)問題；在每一采樣時(shí)刻進(jìn)行求解。1175.多變量控制MPC最適用于多變量控制；對(duì)于已經(jīng)建模耦合，可以提供顯式的補(bǔ)償；并不要求同樣數(shù)量的輸入和輸出。雙輸入/雙輸出系統(tǒng)階躍響應(yīng)模型為：誤差向量：如前一樣，求解優(yōu)化問題。118主要內(nèi)容

時(shí)滯補(bǔ)償技術(shù)預(yù)測控制技術(shù)

自適應(yīng)控制技術(shù)解耦控制技術(shù)119自適應(yīng)控制技術(shù)自適應(yīng)控制概述基于完全模型的方法確定性（經(jīng)典）控制、隨機(jī)控制、自適應(yīng)控制和智能控制的關(guān)系自適應(yīng)控制的設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制的理論和應(yīng)用概況120自適應(yīng)控制

什么是“自適應(yīng)控制”？一般在生活中，所謂“自適應(yīng)”是指生物能改變自己的習(xí)性以適應(yīng)新的環(huán)境的一種特征。自適應(yīng)控制器是這樣一種控制器，它能夠修正自己的特性以適應(yīng)對(duì)象和擾動(dòng)的動(dòng)特性的變化。121提出“自適應(yīng)控制”方法的原因：

在經(jīng)典控制理論中，當(dāng)對(duì)象是線性定常、并且完全已知的時(shí)候，才能進(jìn)行分析和控制器設(shè)計(jì)。無論采用頻域方法，還是狀態(tài)空間方法，對(duì)象一定是已知的。在線性對(duì)象已知的情況下，可以進(jìn)行諸如穩(wěn)定性分析、超前滯后校正環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)、極點(diǎn)配置（狀態(tài)反饋）、最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)等一系列控制系統(tǒng)的分析和綜合工作。

這類方法稱為基于完全模型的方法自適應(yīng)控制122自適應(yīng)控制技術(shù)自適應(yīng)控制概述基于完全模型的方法確定性（經(jīng)典）控制、隨機(jī)控制、自適應(yīng)控制和智能控制的關(guān)系自適應(yīng)控制的設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制的理論和應(yīng)用概況123基于完全模型的方法借助對(duì)象系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可以對(duì)對(duì)象系統(tǒng)的行為（自主的和受控后的）進(jìn)行預(yù)測

微分方程型模型——行為的趨勢預(yù)測差分方程型模型——行為的數(shù)值預(yù)測如描述對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是線性的，且其結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)階數(shù)、輸入輸出維數(shù)）、參數(shù)、外部干擾準(zhǔn)確已知的話，這種預(yù)測也是準(zhǔn)確的。據(jù)此可以針對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行各種分析、綜合，設(shè)計(jì)滿足性能指標(biāo)要求的控制算法。在模型能夠精確地描述實(shí)際對(duì)象時(shí)，基于完全模型的控制方法可以得到可靠、精確和滿意的控制效果。124基于完全模型的方法

代價(jià)：詳細(xì)研究、調(diào)查和測量（包括離線測量和在線辨識(shí)）實(shí)際對(duì)象，根據(jù)物理原理建立數(shù)學(xué)模型，通過仿真驗(yàn)證模型的精確性。獲得：在一些情況下可以得到可靠、精確和滿意的控制效果。 目前在理論上，基于完全模型的方法僅對(duì)線性對(duì)象和少數(shù)特殊的非線性對(duì)象有效。125自適應(yīng)控制技術(shù)自適應(yīng)控制概述基于完全模型的方法確定性（經(jīng)典）控制、隨機(jī)控制、自適應(yīng)控制和智能控制的關(guān)系自適應(yīng)控制的設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制的理論和應(yīng)用概況126確定性（經(jīng)典）控制、隨機(jī)控制、自適應(yīng)控制和智能控制的關(guān)系被控對(duì)象一般表示：如對(duì)上述表示可以線性化，得到：或再進(jìn)行離散化，得到：1271）確定性控制問題系統(tǒng)結(jié)構(gòu)n、m、r

已知；

參數(shù)θ已知（即矩陣A、B、C

或Φ、Γ、H

已知）；w(k)、v(k)

為時(shí)間k

的確定性已知函數(shù)，系統(tǒng)初始狀態(tài)x(0)

已知。確定性最優(yōu)控制問題：

已知對(duì)象模型和擾動(dòng)的條件下，綜合控制序列u(k)，使某一指定的性能指標(biāo)函數(shù)J