過程控制系統(tǒng)培訓

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控制系統(tǒng)由被控對象、檢測元件（包括變送器）、控制器和執(zhí)行器（閥）4部分組成。對一個控制系統(tǒng)的基本要求是穩(wěn)定性、準確性和快速性，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）對象檢測元件或變送器設定x+-測量z操縱變量偏差e(給水)擾動f(水位)控制變量y自動控制系統(tǒng)方框圖23過程控制的目標從生產過程的角度看，過程控制實現(xiàn)的目標：安全性：確保生產過程中人身與設備的安全，主要措施包括：對重要參數(shù)設置定值控制、采取參數(shù)超限報警與事故報警、設置自動聯(lián)鎖保護系統(tǒng)等；經濟性：即實現(xiàn)經濟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；穩(wěn)定性：即要求系統(tǒng)具有抑制外部干擾，保持生產過程長期穩(wěn)定運行的能力。常用方法：結合工業(yè)對象特性與控制理論對系統(tǒng)進行穩(wěn)定性與魯棒性分析。4信號傳輸標準

國際電工委員會（IEC）于1973年4月通過信號傳輸?shù)膰H標準：現(xiàn)場傳輸信號：直流4~20mA；控制室內儀表間的聯(lián)絡信號：直流1~5V.

適用范圍：

DDZ-Ⅲ型、數(shù)字儀表、DCS系統(tǒng)等5信號傳輸標準DDZ-Ⅰ型、DDZ-Ⅱ

型儀表采用的信號傳輸標準為：

0~10mADC，或0~5VDC

兩種標準的比較：

這種以20mA表示信號的滿度值，而以此滿度值的20%即4mA表示零信號的安排，稱為“活零點”。6信號傳輸標準“活零點”的優(yōu)點：有利于識別斷電、斷線等故障，且為實現(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的輸出線合并起來，一共只用兩根導線。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，因為減少一根通往危險現(xiàn)場的導線，就減少了一個竄進危險火花的門戶。78控制系統(tǒng)中常用名詞術語被控對象被控變量操縱變量干擾設定值偏差9系統(tǒng)中各基本環(huán)節(jié)的作用被控對象：指要進行控制的設備或過程。檢測裝置：用來檢測被控量，并將其轉換成與給定量同一物理量。給定環(huán)節(jié)：是設定被控量給定值的裝置。比較機構：將檢測的被控量和給定值進行比較，確定兩者之間的偏差。控制器：根據(jù)偏差的正負、大小及變化情況，按預定的控制規(guī)律實施控制作用，比較機構和控制器通常組合在一起，它們可以是氣動控制器、電動控制器、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，相應地改變操縱變量以穩(wěn)定被控變量，最常用的執(zhí)行器是氣動薄膜控制閥。10被控變量：被控對象中，通過控制能達到工藝要求設定值的工藝變量。設定值：被控變量的希望值，由工藝要求決定。測量值：被控變量的實際測量值。偏差：設定值與被控變量的測量值（統(tǒng)一標準信號）之差。操縱變量：由控制器操縱，能使被控變量恢復到設定值的物理量或能量。擾動：除操縱變量外，作用于生產過程對象并引起被控變量變化的隨機因素。系統(tǒng)中各基本環(huán)節(jié)的作用11對象特性所謂對象特性就是指在輸入作用下，其輸出變量（被控變量）隨時間變化而變化的特性。通常，認為對象有兩種輸入，即操縱變量輸入信號和外界擾動信號，其輸出信號只有一個被控變量。對象的負荷：當生產過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時，單位時間流入或流出對象的物料或能量稱為對象的負荷，也叫生產能力。對象的自衡：如果對象的負荷變化后，無需外加控制作用，被控變量能夠自行穩(wěn)于一個新的穩(wěn)定值，這種性質被稱為對象的自衡性。有自衡性的對象易于自動控制。12對象的自衡特性13描述對象特性的三個參數(shù)一個具有自衡性質的對象，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、時間常數(shù)T、滯后時間τ加以描述。放大系數(shù)K：是指對象的輸出信號（被控變量）的變化量與引起該變化的輸入信號（操縱變量或擾動信號）變化量的比值。時間常數(shù)T：是反映對象在輸入變量作用下，被控變量變化快慢的一個參數(shù)。滯后時間τ：有的過程對象在輸入變量后，輸出不是立即隨之變化的，而是需要間隔一定的時間后才發(fā)生變化。這種對象的輸出變化落后于輸入變化的現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。滯后時間τ就是描述對象滯后現(xiàn)象的動態(tài)參數(shù)，滯后時間τ分為純滯后τ0和容量滯后τn；τ0是由對象傳輸物料或能量需要時間而引起的，一般由距離與速度來確定，而τn一般由多容或大容量的設備而引起，滯后時間τ=τ0+τn

。對于控制通道來說希望τ越小越好，而對于擾動通道來說希望τ適度大點好。14系統(tǒng)的滯后檢測系統(tǒng)特性的影響主要表現(xiàn)為時間滯后的作用。造成系統(tǒng)滯后的主要原因有：被測對象滯后：測量點不能及時反映參數(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，導致檢測儀表的輸出不能及時反映參數(shù)的變化。信號傳遞滯后：主要是氣動信號傳遞較慢導致系統(tǒng)反映滯后。15

自動控制系統(tǒng)的分類由于自動控制技術的廣泛應用及控制理論的發(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（被控變量）不反饋到系統(tǒng)的輸入端，因而也不對控制作用產生影響的系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)又分兩種：一種是按設定值進行控制；另一種是按擾動量進行控制，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（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，與給定信號比較，以偏差的形式進入調節(jié)器，對系統(tǒng)起控制作用，整個系統(tǒng)構成了一個封閉的反饋回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)按照設定值情況不同，又可分為3種類型：1、定值控制系統(tǒng)；2、隨動控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(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)結構，控制系統(tǒng)可以分為簡單控制系統(tǒng)和復雜控制系統(tǒng)兩大類。所謂簡單控制系統(tǒng)，通常是指由一個測量元件、變送器、控制器、執(zhí)行器和被控對象所構成的回路閉環(huán)系統(tǒng)，因此也稱為單回路控制系統(tǒng)。所謂復雜，乃是相對于簡單而言的。一般來說，凡是結構上較為復雜或控制目的上較為特殊的控制系統(tǒng)，都可以稱為復雜控制系統(tǒng)。通常復雜控制系統(tǒng)是多變量的，具有兩個以上變送器、控制器或執(zhí)行器所組成的多個回路的控制系統(tǒng)，所以又稱為多回路控制系統(tǒng)。常見的復雜控制系統(tǒng)有串級、均值、比值、分程、選擇性、前饋、三沖量等系統(tǒng)。18PID:控制領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)控制中的主導控制器結構，其獲得成功應用的關鍵在于，大多數(shù)過程可由低階動態(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，而針對此類過程，PID控制器代表了一個實用而廉價的解?！?920

簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)由被控對象、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)行器被控對象測量變送器設定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。在生產自動化系統(tǒng)中，經常將比例、積分、微分三種調節(jié)作用結合起來，構成比例積分微分調節(jié)，或稱PID調節(jié)。在其輸入輸出數(shù)學表達式中，有三個特征常數(shù)，比例帶δ（P）、積分時間TI、微分時間TD，用來表示比例積分微分的調節(jié)特性。比例帶是比例的倒數(shù)，用百分數(shù)表示，所以比例帶越大，比例越小。當比例積分微分調節(jié)器輸入一個階躍偏差時，調節(jié)器輸出的調節(jié)信號等于比例作用、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，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行調節(jié)的，這叫做超前作用，只要偏差變化一露頭，調節(jié)就立即起作用，當偏差沒有變化時，微分調節(jié)不起作用。三個特征參數(shù)的作用順序為：當有偏差輸入時，微分作用立即動作，使調節(jié)器輸出突然發(fā)生大幅度變化，然后就慢慢下降，比例作用也同時動作，偏差減小，再按照積分作用動作，隨著時間的增加，積分作用越來越起主導作用，最后慢慢把偏差消除掉。22比例調節(jié)比例調節(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來進行調節(jié)的。放大系數(shù)與比例帶比例調節(jié)過程的靜差比例調節(jié)的特點比例調節(jié)的輸出增量和輸入增量呈一一對應的比例關系；比例調節(jié)反應速度快，輸出與輸入同步，沒有時間滯后，因此其動態(tài)特性很好；比例調節(jié)的結果不能使被調參數(shù)完全回到給定值，存在靜差（余差），這是由比例調節(jié)特性所決定的。比例帶選擇的一般原則：若對象較穩(wěn)定（即對象的靜態(tài)放大系數(shù)較小、時間常數(shù)不太小、滯后較?。瑒t比例帶可選的小些，這樣可以提高整個系統(tǒng)的靈敏度，使反應速度加快些；相反，若對象放大系數(shù)較大，滯后時間較大，時間常數(shù)較小，則應當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，是調節(jié)器參數(shù)整定的主要內容。2324積分調節(jié)積分調節(jié)作用是調節(jié)器的輸出變化量與輸入偏差值隨時間的積分成正比，也即輸出的變化速度與輸入偏差成正比。積分調節(jié)效果與應用采用積分調節(jié)器可以消除靜差，這是積分調節(jié)器的優(yōu)點之一；積分調節(jié)過程十分緩慢，其過渡過程拖得很長，被調參數(shù)變化幅度很大。2526微分調節(jié)理想微分調節(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節(jié)不起作用。微分調節(jié)主要用于克服調節(jié)對象的較大的傳遞滯后和容量滯后。理想微分調節(jié)是不能單獨使用的，它總是依附于比例調節(jié)或比例積分調節(jié)。27小結比例調節(jié)：最簡單，響應迅速，易整定；但存在靜差。比例積分調節(jié)：最常用，無靜差，較純積分調節(jié)快速；適用于調節(jié)通道容量滯后較小，負荷變化不很大的系統(tǒng)。如流量、壓力調節(jié)系統(tǒng)等。對于滯后較大的系統(tǒng)效果不好。比例微分調節(jié)：可提高穩(wěn)定裕度，進而加大比例增益，加快調節(jié)過程，減小靜差和動差。但對于高頻擾動頻繁、純滯后較大的系統(tǒng)效果不理想。

28PID調節(jié)舉例舉一個給水箱加水的例子，來說明以上關系。當看到水箱水位低于預想值時，我們的大腦馬上想到開大閥門給水箱加水，給水量會很大，如果預見到閥門開得過大，水位難以控制，很快會超過預想值，又會慢慢關小閥門，來控制加水量，這就是微分作用；同時，閥門開大或關小，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；不管閥門開大與關小，達到預想水位的時間不同，閥門開度越大，需要時間越短，閥門開度越小，需要時間越長。通常情況下，隨著時間的增加，水位慢慢地達到預想值，我們再去關死閥門，但是在關死閥門的過程中，仍然會有給水量，水位會超過預想值。為了更好地控制水位，我們會慢慢關小閥門，逐漸減少給水量，直到水位達到預想值時，閥門正好關死，這需要一定的時間段，閥門關小幅度越小，需要時間越長，反之亦然，這就是積分調節(jié)作用。如果選擇適當?shù)奶卣鲄?shù)，就能充分發(fā)揮比例、積分、微分調節(jié)的優(yōu)點，得到較為滿意的調節(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概念，自動調節(jié)是建立在波動不大、比較平穩(wěn)的基礎之上。在自動調節(jié)系統(tǒng)投運初期，由于工藝波動比較大，應該手動調節(jié)，并且速度不宜過快，以免引起工藝更大的波動。待工藝基本平穩(wěn)后，再投入自動狀態(tài)。在自動調節(jié)過程中，如果由于某中原因造成比較大的工藝波動，應該由自動切換到手動狀態(tài)，待調整穩(wěn)定后，再切換到自動狀態(tài)。自動、手動切換要求實現(xiàn)無擾動切換PID調節(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驗湊試法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)運行； （2）將PB由大到小變化，對應于某一PB值作小幅度的設定值階躍響應，直至產生等幅振蕩； （3）設等幅振蕩時所對應的振蕩周期為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：生產過程有時不允許出現(xiàn)等幅振蕩，或者無法產生等幅振蕩。321.臨界比例度法具體方法：在純比例控制（Ti=0，TD=

）條件下通過試驗獲得臨界比例度

K；再根據(jù)經驗公式計算實際參數(shù)值

、Ti

、TD

。使用條件：臨界比例法廣泛應用于放大倍數(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)允許短時間震蕩的情形。33PID參數(shù)工程整定方法34Ziegler-Nichols反應曲線法35工程整定法-反應曲線法實驗步驟：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驗公式計算實際參數(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。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.經驗湊試法具體方法：根據(jù)一般經驗選擇適宜的控制參數(shù)

、Ti

、TD

；在實際運行過程中對參數(shù)進行適當?shù)恼{整。使用條件：干擾作用頻繁；干擾作用的規(guī)律性較差。41PID調節(jié)器特征參數(shù)整定

簡單的調節(jié)系統(tǒng)整定方法有：經驗湊試法、衰減曲線法、臨界比例度法、反應曲線法。工程中最常用的是經驗湊試法。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；曲線波動周期長，積分時間再加長；理想曲線兩個波，調節(jié)過程質量高。在加積分作用之前，應將比例帶增加20%左右?？偟脑瓌t是，震蕩過強，則加大比例帶，延長積分時間；回復過慢，則縮小比例帶，縮短積分時間，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，積分時間也可放小一點。微分時間也要湊試，以使過度時間最短，超調最小。一般只有在管道壓力調節(jié)系統(tǒng)或震蕩過大的系統(tǒng)中，才使用微分調節(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，通過適當調節(jié)比例常數(shù)、積分時間和微分時間常數(shù)可以實現(xiàn)多種控制規(guī)律。實際控制系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)都有正反作用規(guī)律：測量環(huán)節(jié)：間接指標可能與直接指標反向對應；控制環(huán)節(jié)：可以用被測參數(shù)減去設定值，也可以用設定值減去被測參數(shù)；執(zhí)行環(huán)節(jié)：控制信號的加大可以導致執(zhí)行結果的加大（如氣開閥）或減少（如氣關閥）。43調節(jié)器和氣動執(zhí)行機構的正、反作用當偏差值（設定值-實際值）減小，輸出值減小，調節(jié)器為正作用，當偏差值減小，輸出值增大，調節(jié)器為反作用。氣動執(zhí)行機構分執(zhí)行機構和調節(jié)閥兩部分。當輸入信號增大，閥門開大，氣動執(zhí)行機構為正作用，也叫氣開式；當輸入信號增大，閥門關小，氣動執(zhí)行機構為反作用，也叫氣閉式或氣關式。正反作用的調節(jié)器和正反作用的氣動執(zhí)行機構組合，可以滿足工藝調整的不同要求。44“正反作用”方式曲線描述45“正反作用”方式的選擇46練習：調節(jié)閥與控制器的選取47控制系統(tǒng)投運準備工作熟悉工藝過程，了解主要工藝流程、主要設備的功能、控制指標和要求；熟悉控制方案，對測量元件和控制閥的安裝位置、管線走向、工藝介質性質等都要心中有數(shù)；熟悉自動化工具的工作原理和結構儀表檢查投運前應對儀表進行現(xiàn)場校驗檢查控制器的正、反作用及控制閥的氣開、氣閉型式投運前必須仔細檢查控制閥的投運控制器的手動和自動切換無擾動切換控制器參數(shù)的整定48復雜調節(jié)系統(tǒng)

這里，把在簡單反饋回路中再增加計算環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)或其他環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)稱為復雜控制系統(tǒng)。但從輸入和輸出變量的關系來看，總體上仍基本是單一的。這些系統(tǒng)在50年代已有相當?shù)陌l(fā)展、它們原是經典控制理論的產物，當時用常規(guī)儀表來實現(xiàn)。但到今天．它們也可用現(xiàn)代控制理論來分析，更多用計算機來實現(xiàn)，在

DCS裝置中都備有很多種復雜控制系統(tǒng)的算法模塊。

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

50515253對調節(jié)滯后的解決方法之一

對于冷卻水方面的擾動，如冷卻水的入口溫度、閥前壓力等擾動，夾套冷卻水溫度T2比反應槽溫度T1能更快地感受到。因而可設計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。但TC2的設定值應根據(jù)T1的控制要求作相應的變化（這一要求可用反應溫度調節(jié)器TC1來自動實現(xiàn)）?！按壙刂啤?4反應器溫度的串級控制方案55

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

比值控制系統(tǒng)

凡是用來實現(xiàn)兩個或兩個以上的物料按一定比例關系關聯(lián)控制，以達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。需要保持比值關系的兩種物料，必有一種處于主導地位，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)就是要實現(xiàn)主參數(shù)與副參數(shù)的對應比值關系。一般主流量隨外界負荷需要而變，可測但不可控；副流量可測且可控，且供應有余，可供調節(jié)，使之成比例地改變，保證二者之比值不變。626364656667比值調節(jié)系統(tǒng)

比值調節(jié)系統(tǒng)：在工業(yè)生產中很大場合需要兩種（或兩種以上）物料按一定的比例混合，比例失調時則不能正常生產或可能造成生產事故。比值控制方案：開環(huán)比值控制方案：以一個參數(shù)的測定值控制另一個參數(shù),實際生產中運用較少單閉環(huán)比值控制方案：以一個參數(shù)的測定值計算出另一個參數(shù)閉環(huán)控制的設定值,實際生產中運用廣泛雙閉環(huán)比值控制方案：以一個單閉環(huán)參數(shù)的測定值計算另一個參數(shù)閉環(huán)控制的設定值,僅在要求較高的場合使用變比值控制系統(tǒng)：由串級控制系統(tǒng)和比值控制系統(tǒng)組合而成，在串級控制系統(tǒng)中亦可稱為串級比值控制系統(tǒng)。比值調節(jié)系統(tǒng)的投運和調節(jié)器參數(shù)整定：在比值調節(jié)系統(tǒng)中，由于構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。對于變比值調節(jié)系統(tǒng)，因主參數(shù)調節(jié)器相當于串級調節(jié)系統(tǒng)中的主參數(shù)調節(jié)器，其調節(jié)器應按主參數(shù)的要求而定且應嚴格保持不變。對于閉環(huán)比值調節(jié)系統(tǒng)的主動物料回路，可按單回路流量定值調節(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，又能較快地回到給定值。目前，人們認為其調節(jié)器在階躍干擾作用下，被調參數(shù)應以（4~10）：1衰減比為整定要求。68多沖量（多參數(shù)）調節(jié)系統(tǒng)多沖量調節(jié)系統(tǒng)的出現(xiàn)，是由于在汽包液位單沖量調節(jié)系統(tǒng)中，不能克服虛假液位所帶來的影響，故在液位調節(jié)器的輸出信號上再引入輔組沖量，例如蒸汽流量或給水流量信號，從而構成多沖量調節(jié)系統(tǒng)。多沖量調節(jié)的基本形式：輔助沖量的引入點位于主調節(jié)器的后面；輔助沖量的引入點位于主調節(jié)器的前面。確切的講多沖量調節(jié)的目的不是以某一信號作為被調參數(shù)，而是以幾個沖量的代數(shù)和作為被調參數(shù)，所以整個系統(tǒng)可以看做是以多沖量的綜合信號為被調參數(shù)的單回路定值調節(jié)系統(tǒng)，因此它的動態(tài)特性及其整定方法和單回路調節(jié)系統(tǒng)是相同的。但是又和單回路有所區(qū)別，即使調節(jié)器選用PI調節(jié)規(guī)律，也仍然不能保持某一沖量在過渡過程結束時能回到自己的原始狀態(tài)，只能使它們的綜合信號恢復到本身的給定值。691.汽包水位的控制問題被調量：汽包水位，用H(s)表示調節(jié)量：汽包給水量，用G(s)表示主要干擾： 蒸汽負荷（蒸汽流量），用D(s)表示通道對象： 非自衡、非最小相位、非線性等特性說明：

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

和調節(jié)器的放大系數(shù)的乘積是整個反饋回路的放大系數(shù)。例如，假設調節(jié)閥為氣關閥，C1

=1，則調節(jié)器為正作用。設置C0的目的是使其在正常負荷下，調節(jié)器和加法器的輸出都能有一個比較適中的數(shù)值。

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

雙沖量調節(jié)系統(tǒng)的不足：調節(jié)閥的工作特性不一定能成為線性特性，要做到靜態(tài)補償比較因難；對于給水系統(tǒng)的干擾仍不能克服。為此可再將給水流量信號引入，構成三沖量調節(jié)系統(tǒng)。7879808182前饋控制的基本思想前饋思想：相對于串級控制，這里是在擾動還未影響輸出以前，更及時地調整操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動的影響。前饋控制系統(tǒng)的主要特點是信息的向前流動，而且系統(tǒng)沒有利用被調量，因為如果利用了被調量就相當于構成了閉環(huán)反饋。前饋控制器正是利用已知的給定值去改變調節(jié)量，同時測量擾動并對其做出補償，以使被調量達到設定值。

83前饋控制的基本思想前饋思想：

單純從擾動補償?shù)慕嵌葋砜?，在上述前饋控制系統(tǒng)中，從擾動作用點（負荷分量的變化）到被調量之間實際上存在著兩條平行的通道，即過程干擾通道以及前饋補償通道；如果這兩個通道對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的影響，即實現(xiàn)了不變性，這就是所謂實現(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，首先對反饋控制和前饋控制的特點作一比較：1、反饋控制的特性：①反饋控制的本質是“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無論擾動發(fā)生在哪里，總要等到引起被控量發(fā)生偏差后，調節(jié)器才動作，故調節(jié)器的動作總是落后于擾動作用的發(fā)生，是一種“不及時”的控制。

86前饋控制與反饋控制③反饋控制系統(tǒng)，因構成閉環(huán)，故而存在一個穩(wěn)定性問題。即使組成閉環(huán)系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)都是穩(wěn)定的，閉環(huán)后是否穩(wěn)定，仍然需要作進一步的分析。

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

⑤反饋控制系統(tǒng)中，調節(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“基于擾動的控制”，故前饋控制又稱為“擾動補償”。②

擾動發(fā)生后，前饋控制器“及時”動作，對抑制被控量由于擾動引起的動、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只對被前饋的可測而不可控的主要擾動有校正作用，而對系統(tǒng)中的其他擾動無校正作用。因此，前饋控制具有指定性補償?shù)木窒扌?。⑤前饋控制器的控制?guī)律，取決于被控對象的特性，因此．有時控制規(guī)律比較復雜。88前饋控制與反饋控制3、不變性原理與前饋控制器：

不變性原理是實現(xiàn)前饋控制的理論基礎。“不變性”是指控制系統(tǒng)的被控量與擾動量完全無關，或在一定準確度下無關。然而進入控制系統(tǒng)中的擾動必然通過被控對象的內部聯(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，消除擾動對被控量的這種影響。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行檢驗。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完全補償難以滿足前饋控制只有在實現(xiàn)完全補償?shù)那疤嵯?，才能使得系統(tǒng)得到良好的動態(tài)品質。但完全補償幾乎是難以做到的，因為：a)要準確地掌握過程擾動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確；且被控對象常含有非線性特性，在不同的運行工況下其動態(tài)特性參數(shù)將產生明顯的變化，原有的前饋模型此時就不能適應了，因此無法實現(xiàn)動態(tài)上的完全補償。b)即使前饋模型能準確求出．有時工程上也難以實現(xiàn)。91前饋控制的局限性c)實際的生產過程中，往往同時存在著若干個擾動,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。如果要對一種擾動都實行前饋控制，就是對每一個擾動至少使用一套測量變送儀表和一個前饋控制器，這將會使控制系統(tǒng)龐大且復雜，從而將增加大量自動化設備的投資；另外，尚有一些擾動量至今無法對其實現(xiàn)在線測量，而若僅對某些可測擾動進行前饋控制，則無法消除其它擾動對被控參數(shù)的影響。這些因素均限制了前饋控制的應用范圍。92前饋控制是按照干擾作用的大小進行校正的。當某一干擾出現(xiàn)后，調節(jié)器就對調節(jié)參數(shù)進行調整，校正干擾對被調參數(shù)的影響。因為它的調節(jié)特點是當干擾作用發(fā)生后，被調參數(shù)的變化還未顯示出來，調節(jié)器就已經產生了調節(jié)作用，從而沒有反饋調節(jié)冗長過程，因而被稱為“前饋調節(jié)”。如果前饋控制能恰到好處的話，則可使被調參數(shù)不會因干擾作用而產生偏差所以這種調節(jié)要比反饋調節(jié)及時的多，并且它不受對象滯后大小的影響。前饋控制的特點：一是按干擾量進行調節(jié)；二是不管調節(jié)的效果如何。前饋控制是開環(huán)控制的結構形式，對補償沒有檢驗的手段，因此，無法知道被控變量是否存在偏差，也就無法做進一步的校正。而實際對象中常有多個擾動存在，有的擾動還不可測。因此，單獨采用前饋控制是很難滿足工藝生產要求的。在實際使用中往往采用前饋——反饋相結合的控制方案。主要擾動用前饋來迅速克服，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)的調節(jié)直流，滿足工藝生產的控制要求。前饋調節(jié)適用于：擾動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；擾動對被控變量的影響顯著，單純的反饋控制難以達到控制要求的場合。前饋控制系統(tǒng)

93

時滯補償技術預測控制技術自適應控制技術解耦控制技術新型控制系統(tǒng)94時滯補償技術

典型時滯過程大時滯過程的常規(guī)控制方法

Smith預估補償算法及其性能

95典型時滯過程

純滯后（或容量滯后）產生的主要原因有：

①物料及能量在管道或容器中的傳輸及運送時間；

②物質反應及能量交換需要一定的過程；

③許多設備串聯(lián)在一起；

④測量裝置的時間滯后，

⑤執(zhí)行機構的動作時間。96大時滯過程

具有純滯后過程被公認為是較難控制的過程，其難控程度將隨著純滯后占整個過程動態(tài)份額的增加而增加，一般認為純滯后時間與主要時間常數(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者的關注,成為重要的研究課題之一。97時滯的影響

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

從時域響應來看，首先使得被調量不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動，其次即使測量信號到達調節(jié)器，調節(jié)器立刻作出補償動作，也需要經過純延遲時間以后才能反映在被調量上，使之受到控制。因此，這樣的過程必然會產生較明顯的超調量和較長的調節(jié)時間。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，會導致閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度降低，甚至不穩(wěn)定。98時滯補償技術

典型時滯過程

大時滯過程的常規(guī)控制方法

Smith預估補償算法及其性能

99大時滯過程的常規(guī)控制方法

對于純滯后環(huán)節(jié)，由于測量信號中已不包含關于過程未來變化的足夠信息，通過微分進行預測是不可能的，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驗的操作工的操作，因而算法簡單實用，同樣不需要對象的數(shù)學模型。圖3.1是采樣PI控制的動作時間圖，其中，為采樣周期，為控制時間。

100采樣PI控制PI-HLD(CNT1=2)控制器：類似手動控制；適用于大純滯后對象，或對超調要求嚴格的場合。采樣周期：并且：其中：為擾動時間常數(shù)101時滯補償技術

典型時滯過程大時滯過程的常規(guī)控制方法

Smith預估補償算法及其性能

102Smith補償控制算法標準Smith補償控制器的數(shù)字調節(jié)器實現(xiàn)103Smith補償?shù)木窒扌許mith補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)點是將時滯環(huán)節(jié)移到了閉環(huán)之外,使控制品質大大提高。

Smith控制仍有缺陷，因為:①時滯補償需要準確的過程數(shù)學模型，控制性能對模型誤差較敏感；

②預估長度限于時滯長度。因為，根據(jù)上面的分析可以看出，其基本上是針對階躍狀擾動（當然過程控制領域內，大多數(shù)擾動為階躍狀的）具有很好的預估效果，而當存在建模誤差時，預估不是十分準確的；模型失配較大時,甚至可能不穩(wěn)定。104時滯補償技術

典型時滯過程大時滯過程的常規(guī)控制方法

Smith預估補償算法及其性能

105主要內容

時滯補償技術

預測控制技術自適應控制技術解耦控制技術106模型預測控制模型預測控制概述控制器設計控制器參數(shù)調整過程約束多變量控制1071.概述工業(yè)上對多變量控制器的要求:直接從過程數(shù)據(jù)建立對象的動態(tài)模型；能夠顯式地包含過程約束信息；變量關聯(lián)的完全補償；有效且可靠的在線實現(xiàn)。108模型預測控制

模型預測控制

（

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輸出；是最成功的多變量過程控制技術；至少有5,000套過程控制系統(tǒng)在采用；AspenTechnology&Honeywellmajorvendors109

預測控制的基本思想110預測控制的基本思想具有可測擾動的一般MBPC控制系統(tǒng)的基本結構1112.控制器設計預測時域(P)上的誤差向量：如果控制時域

M=P如果M<P，則可獲得更好的性能

112實際問題為避免過大的輸入變化，需要增加罰函數(shù)項：改進的控制律：滾動時域的實現(xiàn)：計算輸入:{Dun,Dun+1,…,Dun+M-1}；由于建模誤差，不實現(xiàn)整個控制序列；只將第一個輸入付諸實現(xiàn)：Dun在下一采樣時刻獲取新的對象測量值；重新計算輸入序列。1133.控制器的參數(shù)調整MPC調整參數(shù)：采樣周期:Ts調整時間:N預測時域:P控制時域:M輸出加權矩陣:W1輸入加權矩陣:W2114控制器的參數(shù)調整Ts,N&P通常根據(jù)具體問題來定義參數(shù)效果：增大M會使得控制器動作更加劇烈；對角矩陣W1用于輸出尺度調整；通過進一步增大對角元素，則重點會更多地放在輸出上。對角矩陣W2用于輸入尺度調整；通過進一步增大對角元素，則重點會更多地放在輸入上。

一般有如下原則，即“二次型函數(shù)中相對于未來預測遠區(qū)間成本，近期成本權重越小，控制將會變得越發(fā)平滑和更加魯棒”。1154.過程約束過程約束的一般原因：設備的物理限制；安全上的考慮；生產或產品質量指標；數(shù)學描述：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：目標函數(shù)維持不變；預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；在每一采樣時刻進行求解。1175.多變量控制MPC最適用于多變量控制；對于已經建模耦合，可以提供顯式的補償；并不要求同樣數(shù)量的輸入和輸出。雙輸入/雙輸出系統(tǒng)階躍響應模型為：誤差向量：如前一樣，求解優(yōu)化問題。118主要內容

時滯補償技術預測控制技術

自適應控制技術解耦控制技術119自適應控制技術自適應控制概述基于完全模型的方法確定性（經典）控制、隨機控制、自適應控制和智能控制的關系自適應控制的設計自適應控制的理論和應用概況120自適應控制

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

在經典控制理論中，當對象是線性定常、并且完全已知的時候，才能進行分析和控制器設計。無論采用頻域方法，還是狀態(tài)空間方法，對象一定是已知的。在線性對象已知的情況下，可以進行諸如穩(wěn)定性分析、超前滯后校正環(huán)節(jié)設計、極點配置（狀態(tài)反饋）、最優(yōu)控制器設計等一系列控制系統(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控制122自適應控制技術自適應控制概述基于完全模型的方法確定性（經典）控制、隨機控制、自適應控制和智能控制的關系自適應控制的設計自適應控制的理論和應用概況123基于完全模型的方法借助對象系統(tǒng)的數(shù)學模型，可以對對象系統(tǒng)的行為（自主的和受控后的）進行預測

微分方程型模型——行為的趨勢預測差分方程型模型——行為的數(shù)值預測如描述對象的數(shù)學模型是線性的，且其結構（系統(tǒng)階數(shù)、輸入輸出維數(shù)）、參數(shù)、外部干擾準確已知的話，這種預測也是準確的。據(jù)此可以針對數(shù)學模型進行各種分析、綜合，設計滿足性能指標要求的控制算法。在模型能夠精確地描述實際對象時，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：詳細研究、調查和測量（包括離線測量和在線辨識）實際對象，根據(jù)物理原理建立數(shù)學模型，通過仿真驗證模型的精確性。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線性對象和少數(shù)特殊的非線性對象有效。125自適應控制技術自適應控制概述基于完全模型的方法確定性（經典）控制、隨機控制、自適應控制和智能控制的關系自適應控制的設計自適應控制的理論和應用概況126確定性（經典）控制、隨機控制、自適應控制和智能控制的關系被控對象一般表示：如對上述表示可以線性化，得到：或再進行離散化，得到：1271）確定性控制問題系統(tǒng)結構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：

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