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第一章 绪论1.过程控制系统基本构成过程控制系统由被控对象, 变送装置, 控制器和执行器构成检测变送装置的作用: 检测被测量的数值, 并将其转换为一种特定的输出信号.控制器的作用: 接受检测装置送来的信号, 与给定值相比较得出偏差,并按某种运算规律算出结果送往执行器.执行器作用: 能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值以达到控制被控变量的目的.被控对象: 是指需要控制其工艺参数的生产装备或装置.2.过程控制系统的分类方式按系统的结构特点分类: (1)反馈控制系统 (2)前馈控制系统 (3)前馈-反馈控制系统按给定值信号的特点分类: (1)定值控制系统 (2)随动控制系统 (3)程序控制系统3(1).定值控制系统的概念设定值恒定, 不随时间而改变, 要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统. 当被控量波动时, 控制器动作, 使被控量回复至设定值(或接近设定数值).3(2).随动控制系统的概念设定值随时间不断的变化, 而且预先不知道它的变化规律, 但要求系统的输出即被控量跟着变化, 而且希望被控量随设定值的变化即快又准的系统. 3(3).程序控制系统的概念设定值在时间上按一定程序变化, 被控量在时间上也按一定程序或时间函数变化.4.最优控制的目标是什么对一个受控的动力学系统或运动过程,从一类允许的控制方案中找出一个最优的控制方案,使系统的运动在由某个初始状态转移到指定的目标状态的同时,其性能指标值为最优. 第二章 工业过程数据模型1(1).工业过程稳态数据模型的建立方法 PPT第二章P57(1)解析法(机理演绎法): 根据被控过程的内在机理, 运用已知的静态和动态物料平衡/能量平衡等关系, 用数学推理的方法求取被控过程的数学模型, 又称机理法.(2)实验辨识法: 根据过程输入/输出的实验测试数据, 通过过程辨识和参数估计得出数学模型.(3)混合法: (a)对被控过程中机理比较清楚的部分采用机理演绎法推导其数学模型, 对机理不清楚或不确定的部分采用实验辨识法获得其数学模型. (b)先通过机理分析确定模型的结构形式, 再通过实验数据来确定模型中各个参数的大小. 1(2).动态的数学模型建立方法 书P22(1)机理模型的建立: 由过程机理建立动态数学模型的方法需要有足够和可靠的验前知识, 才能导出正确的原始微分方程式. 模型简化有三种方法: 一是开始时就引入简化假定, 使导出的方程形式简单些; 二是在得到较复杂的原始方程后, 用低阶的微分方程或差分方程去近似; 三是对原始方程求解或用计算机仿真, 得到一系列的响应曲线(阶跃响应曲线或频率特性), 根据这些特性, 用低阶的传递函数去近似.(2)系统辨识和参数估计人们把测试数据直接求取模型的途径称为系统辨识, 而把在已定模型的结构的基础上, 由测试数据确定参数的方法称为参数估计1(3).静态/动态的数学模型有哪些 书P19(过程类型-静态模型): 集中参数过程-代数方程; 分布参数过程-微分方程; 多级过程-差分过程(过程类型-动态模型): 集中参数过程-微分方程; 分布参数过程-偏微分方程; 多级过程-微分/差分过程2.工业过程动态特性, 什么样系统是稳定的?什么是不稳定的? 书P20(1)(稳定)自衡的非振荡过程: 也成为非周期过程, 这是一大类在工业生产过程中最常见的过程. 该类过程在阶跃输入信号作用下的输出相应曲线没有振荡地从一个稳态趋向于另一个稳态.(2)(不稳定)无自衡的非振荡过程: 该类过程没有自衡能力, 它在阶跃输入信号作用下的输出响应曲线无振荡地从一个稳态一直上升或下降, 不能达到新的稳态.(3)(稳定)衰减振荡过程: 该类过程具有自衡能力, 在阶跃输入信号作用下, 输出响应呈现衰减振荡特性, 最终过程会趋于新的稳定值.(4)(稳定或不稳定)具有反向特性的过程: 该类过程在阶跃输入信号作用下开始与终止时出现反向的变化. 分为自衡型和无自衡型两种 书P21第三章 常用复杂控制系统1(1).串级控制系统概念(书P36)采用不止一个控制器, 而且控制器间相串接, 一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值的系统, 称为串级控制系统.(PPT 第三章 P4)就是采用两个控制器串联工作, 主控制器的输出作为副控制器的设定值, 由副控制器的输出去操纵控制阀, 从而对主被控变量具有更好的控制效果. 在多回路控制系统中,有两个被控过程,两套测量变送装置, 两台控制器和一个调节阀构成的系统1(2).串级控制系统结构主控制回路是定制控制系统.对主控制器的输出而言, 副控制回路是随动控制系统, 对进入副回路的扰动而言, 副控制回路是定制控制系统.1(3).串级控制系统主副回路设计(书P40)主被控变量的选择和主回路的设计, 仍可用简单控制系统的设计原则进行.(书P40)设计副回路应注意工艺上的合理性; 设计副回路应考虑经济性.(PPT 第三章 P20)副回路的设计主要是如何选择副参数, 其设计原则为: 副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小, 调节通道短, 反应灵敏; 副回路应包含被控对象所受到的主要干扰; 尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中.(PPT 第三章 P26)主/副回路工作频率的选择 目的：避免副环进入高增益区，避免产生串级共振现象.共振现象：如果主回路的工作频率接近副回路的谐振频率，则副回路将呈现出很高的增益和较大的相位滞后，这时反过来将严重影响主回路的稳定性，从而使主副参数长时间地大幅度地波动的现象。结论: 一般取Td1为主回路时间常数, Td2为副回路时间常数. (PPT 第三章 P29)主副控制器的控制规律选择 副调节器:副调节器常选择P或PI控制律 原因: 消除副回路内的二次扰动,快速性, 不要求无差一般选P调节器, 当主副环频率相差很大, 可选PI调节器.主调节器: 一般采用PI或PID控制规律 原因: 主回路的任务是满足主参数的定值控制要求. 因而对于主参数为温度的串级系统, 主调节器必须加入较强的积分作用(除主参数为液位的串级均匀控制系统以外). 当主对象的调节滞后较大, 而主参数变化较平缓时, 可加入通常大小的微分作用.1(4).串级控制系统参数整定(PPT 第三章 P30)逐步逼近法: 它是一种依次整定副环, 主环, 然后循环进行, 逐步接近主, 副环的最佳整定的一种方法. 其步骤为: 首先整定副环. 断开主环, 按单回路整定副环, 求取副调节器的整定参数. 整定主环. 整定好的副环作为主环中的一个环节, 按单回路方法整定主环, 得到主调节器整定参数. 再次整定副环. 在主调节器已经整定一次的条件下, 按单回路整定方法, 重新求取副调节器的整定参数. 此时主副回路都已经闭合. 重新整定主环. 在两个环都闭合, 副调节器第二次整定情况下重新整定主调节器. 如果调节过程还未达到品质要求, 按步继续进行, 直到控制效果满意为止. 如果在第步甚至第步就已经满足品质要求, 整定无需继续进行. (PPT 第三章 P31)两步整定法: 先整定副环, 再整定主环. 具体步骤为: 先整定副环. 主副环均闭合, 得副调节器的衰减率为0.75时的比例带2S和振荡周期T20. 整定主环. 主副环仍闭合, 副调节器置于2S, 得主调节器在衰减率为0.75时的比例带1S和振荡周期T10 由衰减曲线法的计算公式, 查表求出各调节器的整定参数.2(1).比值控制系统概念(PPT 第三章 P32)用来实现两个或以上物料之间保持一定比值关系的过程控制系统.2(2).比值控制系统分类(书P43)单闭环比值控制系统, 双闭环比值控制系统, 变比值控制系统.2(3).比值控制系统转换系数计算 (书P44)结论: 流量比值K与比值系数是两个不同的概念 比值系数的大小与流量比K, 最大流量有关 线性测量与非线性测量情况下比值系数关系： 非=(线)2 3(1).均匀控制系统概念均匀控制系统是指一种控制方案所起的作用而言, 是指对两个被控变量兼顾的控制系统. 均匀控制系统应具有既允许表征前后供求矛盾的两个变量都有一定范围的变化, 又要保证它们的变化不应过于剧烈的特点.3(2).均匀控制系统的的特点1) 用一个控制器使两个被控变量都得到控制; 2) 通过控制器参数合理整定实现均匀的目的; 3) 控制目标: 流量平稳或缓慢变化; 在最大干扰下, 液位仍在工艺操作允许范围内波动;4) 参数整定原则: 比例度P大, 积分时间I大.4(1).前馈控制系统概念及原理概念: 利用输入或扰动信号的直接控制作用构成的开环控制系统称为前馈控制系统原理: (书P50)前馈控制系统是根据扰动或设定值的变化按补偿原理而工作的控制系统, 其特点是当扰动产生后, 被控变量还未变化前, 根据扰动作用的大小进行控制,以补偿扰动作用对被控变量的影响.4(2).前馈控制系统的结构(1)动态前馈控制: 在任何时刻均实现对干扰的补偿. 必须根据过程扰动通道和控制通道的动态特性, 采用专用调节器. (2)静态前馈控制: 前馈调节器的输出量仅仅是其输入量的函数，与时间因子无关。即前馈调节器的控制规律具有比例特性，其大小可根据过程扰动通道和过程控制通道的静态放大系数来决定。 4(3).前馈控制系统有哪几个通道干扰通道: 产生对系统的外部干扰的通道调节通道: 通过对外部干扰的采集, 通过前馈的方式对系统进行干扰补偿的通道.4(4).K T 分别对每个通道有什么影响对于控制通道: 放大系数K大, 操纵变量的变化对被控变量的影响就大, 即控制作用对扰动的补偿能力强, 余差也小; 放大系数K小, 控制作用的影响不显著, 被控变量的变化缓慢. 但K太大, 会使控制作用对被控变量的影响过强, 使系统的稳定性下降. 时间常数T, 在相同的控制作用下, 时间常数T大, 则被控变量的变化比较缓慢, 此时对象比较平稳, 容易进行控制, 但过渡过程时间较长; 若时间常数T小, 则被控变量变化速度快, 不易控制. 时间常数太大或太小, 在控制上都将存在一定困难, 因此需根据实际情况适中考虑.滞后时间的存在, 使得控制作用总是落后于被控变量的变化, 造成被控变量的最大偏差增大, 控制质量下降. 因此, 应尽量减小滞后时间. 对于扰动通道: 放大系数K大对控制不利, 因为当扰动频繁出现且幅度较大时, 被控变量的波动就会很大, 使得最大偏差增大；而放大系数K小, 既使扰动较大, 对被控变量仍然不会产生多大影响. 时间常数T大, 扰动作用比较平缓, 被控变量变化较平稳, 对象较易控制.纯滞后的存在, 相当于将扰动推迟时间才进入系统, 并不影响控制系统的品质; 而容量滞后的存在, 则将使阶跃扰动的影响趋于缓和, 被控变量的变化相应也缓和些, 因此对系统是有利的.5(1).选择性控制系统概念(书P54)在控制系统中含有选择单元的系统, 通常称为选择性控制系统. 选择性控制系统将逻辑控制与常规控制结合起来, 增强了系统的控制能力, 又称取代控制/超驰控制/保护控制等.5(2).选择性控制系统分类 (PPT 第三章 P49)(书P54)(1)开关型选择性控制系统: 一般有A/B两个可供选择的变量. 其中一个变量A是工艺操作的主要技术指标, 它直接关系到产品的质量; 另一变量B, 工艺上对它只有一个限值要求, 生产操作在B限值以内, 生产是安全的, 一旦超出限值, 生产过程就有发生事故的危险. 在正常情况下, 变量B处于限值内，生产过程按照变量A进行连续控制, 一旦变量B达到限值, 为了防止事故的发生, 所设计的选择性控制系统将通过专门的装置(电节点、信号器、切换器)切断变量A控制器的输出, 而使控制阀迅速关闭或打开, 直到变量B回到限值以内, 系统才重新恢复到按变量A进行连续控制.(2)连续型选择性控制系统: 在连续型选择性控制系统中, 一般具有两只连续型控制器, 它们的输出通过一只选择器(高选器或低选器)后, 送往控制阀. 这两只控制器一只在正常情况下工作, 一只在非正常情况下工作. (3)混合型选择性控制系统: 既包含有开关型选择的内容, 又包含有连续型选择的内容. 6(1).分程控制系统的概念一个控制器的输出同时送往两个或两个以上的执行器, 各执行器的工作范围不同, 这样的控制系统称为分程控制. 6(2).平滑性如何调整分程控制系统把两个调节阀作为一个调节阀使用时, 要求从一个调节阀向另一个调节阀过渡时, 其流量变化要平滑. 由于两个调节阀的增益不同, 存在着流量特性的突变, 对此必须采取相应的措施.(1)对于线性流量特性的调节阀, 只有当两个阀的流通能力很接近时, 两阀衔接成直线, 才能应用于分程控制系统. (2)对于对数流量特性调节阀, 需通过两个调节阀分程信号部分重叠的方法, 使调节阀特性衔接成线性化, 达到平滑过渡. 6(3).什么是气开型/气闭型气开型调节阀是当膜头上, 空气压力增大时, 阀门向增加开度方向动作. 当达到输入气压上限时, 阀门处于全开状态, 反之, 当空气压力减小时, 阀门向关闭方向动作, 在没有输入空气时, 阀门全闭.6(4). 关于正反作用(1) 阀芯正装、气源正作用，则阀门为气关阀(2)阀芯正装、气源反作用，则阀门为气开阀(3)阀芯反装、气源正作用，则阀门为气开阀(4)阀芯反装、气源反作用，则阀门为气关阀第六章 基于模型的预测控制1. 预测控制的基本特征(1)预测模型: 预测控制需要一个描述系统动态行为的模型, 称为预测模型. 它应具有预测功能, 即能够根据系统的现时刻和未来时刻的控制输入以及过程的历史信息, 预测过程输出的未来值. 在预测控制中各种不同的算法, 采用不同类型的预测模型.(2)反馈校正: 在预测控制中, 基于预测模型的预测输出不可能准确的与实际值相符, 因此要通过输出的测量值与模型的预测值进行比较, 得到模型的预测误差, 再利用这个误差来校正模型的预估值(可以对预估值进行补偿或者直接修改预测模型), 从而得到更准确的将来输出的预测值. 这种模型预测加反馈校正的过程, 使预测控制具有很强的抗干扰和克服系统不确定性的能力. (3)滚动优化: 预测控制是一种优化控制算法, 它是通过某一性能指标的最优化来确定未来的控制作用. 预测控制的优化作用与通常的最优控制算法不同, 不是采用一个不变的全局最优控制目标, 而是采用滚动式的有限时域优化策略, 优化过程不是一次离线完成的, 而是反复在线进行的.(4)预测控制的参考轨迹: 在预测控制中, 为避免出现输入和输出的急剧变化，往往要求过程输出沿着一条期望的平缓的曲线到达设定值, 这条曲线通常称为参考轨迹, 它是设定值经过在线”柔化”后的产物.(5)滚动优化的三种方式: 在预测控制中, 通过求解优化问题, 可以得到一组控制, 其中M为控制的时域长度。 对过程施加这组控制作用的方式有三种： 在现时刻k只施加第一个控制作用u(k), 等到下一个采样时刻k+1, 再重新进行优化计算, 求出一组新的控制作用, 仍只施加第一个控制作用, 如此类推。 在现时刻k施加前n(nM)个控制, 等施加完后, 再重新计算出一组新的控制. 依次将M个控制作用都施加完, 再计算一组新的控制. (6)预测控制的优点: (1)对数学模型要求不高(和现代控制相比)(2)能处理纯滞后过程(3)具有良好的跟踪性能和较强的抗干扰能力(4)对模型误差具有较强的鲁棒性 (7)预测控制的缺点: (1)预测控制算法比较复杂, 正因为复杂, 在算法实现上要考虑多方面因素, 既要保证算法简洁, 又要使算法具有足够的可靠性和稳定性, 同时也提高了硬件要求. (2)实施周期长 参数整定复杂, 即便是有丰富经验的工作人员, 也得花费较长时间进行在线或离线参数整定过程. (3)控制系统完成后,必须对操作人员进行培训. 由于算法复杂, 操作人员对其的理解有深有浅, 不能最大限度地发挥该先进算法的作用, 有时甚至会引起误操作. 受工艺条件/模型变化的影响, 需要专门的技术人员进行算法维护. (4)模型预测控制算法的稳定性还没有从根本上得到有效解决, 需要从理论上得到进一步突破.2.预测控制中的预测模型(1)非参数模型: 脉冲响应模型/阶跃响应模型 书P110/书P114(2)参数模型: 可控自回归滑动平均模型CARMA(Controlled Auto-Regression Moving Average)模型/可控自回归积分滑动平均模型CARIMA(Controlled Auto-Regression Integral Moving Average)模型3.模型算法控制(MAC) 书P110模型算法控制(Model Algorithmic Control,简称MAC)是基于脉冲响应模型的一种预测控制,又称模型预测启发式控制(MPHCModel Predictive Heuristic Control), 是Richalet于1978年提出的, 已在许多工业过程中得到应用, 取得显著效果, 适用于渐进稳定的线性过程.4.MAC在实施中应注意的若干问题 书P113(1)稳态余差问题 (2)脉冲响应系数长度N的选择 (3)输出预估时域长度P的选择 (4)控制时域长度M的选择 (5)参考轨迹的收敛参数a的选择 (6)误差权矩阵Q的选择 (7)控制权矩阵R的选择 (8)具有纯滞后系统5.MAC算法在线计算框图 1.3.11Yr(k+j)=aj*y(k)+(1-aj)Yd j=1,2,P1.2.51.3.15u(k)=DTYr(k)-H1U1(k)-e(k)6.动态矩阵控制DMC 书P114动态矩阵控制是基于阶跃响应模型的一类预测控制. 它是由cutler等人提出的一种有约束的多变量优化控制算法. 现在在石油/化工等许多领域应用成功, 已有软件化产品出售. 动态矩阵控制也适用于渐进稳定的线性过程.7.DMC算法的整定步骤 PPT(1)根据过程的类型和动态特性来确定采样周期Ts. 单容过程, 可取Ts=0.1T, 其中T为过程时间常数; 振荡过程, 可取Ts=0.1Te, 其中Te为振荡周期; 纯滞后过程, 取Ts=0.1, 其中为纯滞后时间; (2)按上述经验数据并考虑使相应的阶跃响应系数ai尽可能平滑变化, N一般可取2050. (3)取优化时域P覆盖阶跃响应的主要动态部分. 初选P后再取Qj=0, 对应纯滞后部分 Qj=1, 对应其他情况. (4)初选R0，并取控制时域M=12 动态特性比较简单, M=48 动态特性比较复杂. (5)计算控制系数DT, 仿真检验控制系统的动态响应, 若不稳定或者动态过程过于缓慢, 可调整P直到满意; (6)若控制作用变化偏大, 可略微增大ri值； 8.预测函数控制 书P117预测函数控制(PFC)是一种新颖的预测控制算法, 它在保持模型预测控制的优点的同事,通过引入基函数的概念增强了输入控制量的规律性, 提高了响应的快速性和准确定, 可以有效地减少算法的计算量.第七章 解耦控制系统1.耦合的过程在一个生产装置中, 往往需要设置若干个控制回路, 来稳定各个被控变量, 在这种情况下，几个回路之间, 就可能相互关联, 相互耦合, 相互影响, 构成多输入-多输出的相关(耦合)控制系统. 通常认为, 在一个多变量被控过程中, 如果每一个被控变量只受一个控制变量的影响, 则称为无耦合过程, 其分析和设计方法与单变量过程控制系统完全一样. 2.耦合的多变量过程控制系统的分析与设计中需要解决的主要问题(1)如何判断多变量过程的耦合程度？(2)如何最大限度地减少耦合程度？(3)在什么情况下必须进行解耦设计, 如何设计？3.相对增益 (PPT 第七章 P11) (书P147)令某一通道在其它系统均为开环时的放大系数与该一通道在其它系统均为闭环时的放大系数之比为ij, 称为相对增益; 相对增益ij是Uj相对于过程中其他调节量对该被控量Yi而言的增益(Uj Yi )4.相对增益几点有用的地方 书P1485.相对增益所反映的耦合特性以及“变量配对”措施(以2*2过程为例)11 =1第二通道对第一通道无耦合作用, Y1对U1的变量配对合适; 11 =0U1对Y1不发生任何控制作用, 不能配对; 011 1闭合第二个回路将减小Y1和U1之间的增益, 说明回路间有耦合. 11增加, 耦合程度随之增加, 大到一定程度将不能独立控制两个输出变量;11 0第二个回路的断开或闭合将会对Y1有相反的作用, 两个控制回路将会以“相互不相容”的方式进行关联, 如Y1与U1配对, 将造成闭环系统的不稳定. 6.解耦系统的设计解耦控制设计的主要任务是解除控制回路或系统变量之间的耦合. 解耦设计可分为完全解耦和部分解耦. 完全解耦的要求是, 在实现解耦之后, 不仅调节量与被控量之间以一对一对应, 而且干扰与被控量之间同样产生一一对应.7.解耦系统设计的三种方法(1)前馈补偿解耦法: 这种方法与前馈控制设计所论述的方法一样,补偿器对过程特性的依赖性较大. 此外, 当输入-输出变量较多时, 则不宜采用此方法. (2)对角阵解耦法: 对角阵解耦设计是一种常见的解耦方法, 它要求被控对象特性矩阵与解耦环节矩阵的乘积等于对角阵. 对角阵解耦法和前馈补偿解耦法得到的解耦效果和系统的控制质量是相同的, 这两种方法都是设法解除交叉通道, 并使其等效成两个独立的单回路系统.(3)单位矩阵解耦法: 单位阵解耦设计是对角阵解耦设计的一种特殊情况. 它要求被控对象特性矩阵与解耦环节矩阵的乘积等于单位阵. 除了能获得优良的解耦效果之外, 还能提高控制质量, 减少动态偏差, 加快响应速度, 缩短调节时间.8.多变量系统的解耦设计多变量解耦有动态解耦和静态解耦之分. 动态解耦的补偿是时间补偿, 而静态解耦的补偿是幅值补偿. 由于动态解耦要比静态解耦复杂得多, 一般只在要求比较高/解耦器又能实现的条件下使用. 当被控对象各通道的时间常数非常接近时, 采用静态解耦一般都能满足要求.9.解耦系统的实现问题解耦系统的稳定性/部分解耦以及解耦器的简化第十二章 智能控制1.模糊控制的概念模糊控制是以模糊集合论/模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一类计算机控制策略, 模糊控制是一种非线性控制. 模糊控制不是采用纯数学建模的方法, 而是结合专家的知识和思维进行学习与推理/联想/决策的过程, 由计算机来辨识和建模, 并进行控制.2.模糊控制的原理/结构 书P233(1)模糊化 (2)知识库 (3)模糊推理 (4)清晰化(去模糊化)3.模糊控制的分类模糊控制器的分类 书P2394.模糊控制的特性(1)模糊控制是一种基于规则的控制. 它直接采用语言型控制规则, 出发点是现场操控人员的控制经验或相关专家的知识, 在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型, 只需从对控制工业过程的定性认识出发, 建立语言控制规则即可. 因而使得控制机理和策略易于接受与理解. 因而模糊控制对那些数学模型难以获取/动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用.(2)基于模型的控制算法及系统设计方法, 由于出发点和性能指标的不同, 容易导致较大的差异; 但一个系统的语言控制规则却有相对的独立性, 利用这些控制规律间模糊链接, 容易找到折中的选择, 使控制效果优于常规则控制器.(3)模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的, 这有利于模拟人工控制的