过程控制工程课件聂建华

1、一、过程控制工程是干什么的？一、过程控制工程是干什么的？ 案例案例1 管式加热炉控制管式加热炉控制回油燃料油雾化蒸汽工艺介质一、过程控制工程是干什么的？一、过程控制工程是干什么的？ 案例案例1 管式加热炉控制管式加热炉控制FCTCPCPC回油燃料油雾化蒸汽工艺介质案例案例2：锅炉设备的工艺流程：锅炉设备的工艺流程热空气燃料燃料嘴炉膛汽包过热器减温器PMD负荷设备调节阀过热蒸汽送负荷设备炉墙省煤器热空气送往炉膛给水空气预热器冷空气烟气(经引风机送往烟囱)锅炉设备控制思考题1、了解锅炉设备的控制问题与系统分解；2、掌握汽包水位的对象特点与控制方案；3、掌握锅炉设备燃料与空气逻辑变比值控制系统的分析

2、与设计方法；4、了解锅炉设备过热蒸汽温度的控制问题与常用的控制方法。锅炉设备的控制问题给水量减温水燃料量送风量引风量水 位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压负荷锅炉设备 系统分解：（1）锅炉汽包水位的控制；（2）锅炉燃烧系统的控制；（3）过热蒸汽系统的控制。汽包水位的控制问题n被控变量：汽包水位，用H (s)表示n控制变量：汽包给水量，用G (s)表示n主要干扰：蒸汽负荷（蒸汽流量），用D (s)表示n通道对象：非自衡、非最小相位、非线性等特性汽包水位的对象特性DHH 0HH 2H 1ttGHHH 1tt干扰通道特性控制通道特性1)()(221sTKsKsDsHsesKsGsH0)()(非最小相

3、位特性1)()(221sTKsKsDsH) 1() 1() 1()()()(20121212sTssTKsTsKsTKKsDsH2120TKKT对象为非最小相位（存在位于复平面右半平面的零点）的条件为02120TKKT汽包水位的单冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水汽包水位的双冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水PCPFC1PC +C2PF+C0前馈补偿原理：假设前馈补偿原理：假设调节阀为气关阀，调节阀为气关阀，C1=1，则调节器为正，则调节器为正作用，而作用，而C2应取负号，应取负号，具体数值可现场调整具体数值可现场调整或根据阀门特性计算或根据阀门特性计算其初始值。其初始值。三冲量控制系统的简化连接LC

4、水位蒸汽给水C1C2C3LC水位蒸汽给水C3C1C2汽包水位的三冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水PCPFFCLC水位蒸汽FC给水PCPFC1PC +C2PF+C0锅炉蒸汽压力控制锅炉蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统和燃料与空气比值控制系统FCFCPCACLSHS蒸汽压力燃料量空气量含氧量燃料阀空气阀I1I2IpI4I3Q2Q1K稳态：稳态：I1= I2 = I3 = I4 = IpQ1 = KQ2分析提降量过程？分析提降量过程？历经一段时间历经一段时间一般工业生产一般工业生产伴随物质能量变化伴随物质能量变化连续过程连续过程(Continuous Process)(Continuous Pro

5、cess)批量（间歇）过程批量（间歇）过程(Batch Process)(Batch Process)离散过程离散过程(Discrete Process)(Discrete Process)流程工业流程工业(Flow Manufacturing Industry)(Flow Manufacturing Industry)离散制造业离散制造业(Discrete Industry)(Discrete Industry)。控制工程与其它相关学科控制工程与其它相关学科控制工程控制原理与方法最优化方法与技术化工原理与对象机理测量与控制仪表计算机与网络技术系统仿真技术三、本课程的教学要求三、本课程的教学要

6、求n了解控制系统的设计目的，掌握控制系了解控制系统的设计目的，掌握控制系统方块图描述法统方块图描述法n掌握过程对象的建模方法掌握过程对象的建模方法n掌握掌握PID类常规控制策略，能够结合具类常规控制策略，能够结合具体的工业过程设计合理的控制方案体的工业过程设计合理的控制方案n了解先进控制算法，掌握其设计思想、了解先进控制算法，掌握其设计思想、概念、特点及适用场合概念、特点及适用场合n了解控制系统的设计与实施了解控制系统的设计与实施本课程的教学要求本课程的教学要求n了解控制系统的设计目的，掌握控制系了解控制系统的设计目的，掌握控制系统方块图描述法统方块图描述法n掌握过程对象的建模方法掌握过程对象

7、的建模方法n掌握掌握PID类常规控制策略，能够结合具类常规控制策略，能够结合具体的工业过程设计合理的控制方案体的工业过程设计合理的控制方案n了解先进控制算法，掌握其设计思想、了解先进控制算法，掌握其设计思想、概念、特点及适用场合概念、特点及适用场合n了解控制系统的设计与实施了解控制系统的设计与实施1. 过程控制概论过程控制概论n1.1 控制系统的组成与目标控制系统的组成与目标 1.1.1 控制系统的由来控制系统的由来 1.1.2 控制系统的组成控制系统的组成 1.1.3 过程控制的术语与目标过程控制的术语与目标 n1.2 控制仪表与控制装置控制仪表与控制装置 1.2.1 单元组合控制仪表单元组

8、合控制仪表 1.2.2 计算机控制装置计算机控制装置 1. 过程控制概论过程控制概论1.3 过程控制策略过程控制策略 1.3.1 反馈控制反馈控制 1.3.2 前馈控制前馈控制1.4 反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类1.1 控制系统的组成与目标控制系统的组成与目标1.1.1 控制系统的由来控制系统的由来LChhspQiQo传感测量：液位计+人眼控制器：大脑执行机构：手+手动阀差压传感变送器电动调节器自动调节阀控制在日常生活中无处不在！控制在日常生活中无处不在！1.1.2 控制系统组成控制系统组成过程末端执行器传感器控制器输入输出期望值液位控制反馈控制液位控制反馈控制LChhspQiQo液位

9、控制系统的方块图液位控制系统的方块图问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？液位控制器设定值hsp偏差e(t)+_测量值hm(t)干扰通道+液位传感测量变送器出水控制阀被控变量h(t)控制信号u(t)操纵变量Qo(t)控制通道扰动Qi(t)液体贮罐LChhspQiQo一般的单回路控制系统一般的单回路控制系统被控变量被控变量：温度(T)、压力(P)、流量(F)、液位或料位(L)、成分与物性等六大参数。控制器Gc (s)执行器Gv (s)控制通道Gp (s)测量变送Gm (s)设定值ysp偏差 e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动 D干扰通

10、道GD (s)+被控对象1.1.3 过程控制的术语与目标过程控制的术语与目标n过程控制系统的目标过程控制系统的目标：在扰动存在的情况下，通过调节操纵变量使被控变量保持在其设定值。n应用过程控制系统的主要原因：应用过程控制系统的主要原因：（1）安全性：安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保护或减少生产过程对环境的影响；（2）稳定性稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各种外部干扰；（3）经济性经济性：实现效益最大化或成本最小化。1.2 控制仪表与控制装置控制仪表与控制装置1.2.1 单元组合控制仪表单元组合控制仪表1.2.2 计算机控制装置计算机控制装置（1）直接数字控制直接数字控制1

11、.2.2 计算机控制装置计算机控制装置（2）集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统1.2.2 计算机控制装置计算机控制装置（3）集散控制系统集散控制系统n1.2.2 计算机控制装置计算机控制装置（4）基于网络的测控系统模型：基于网络的测控系统模型： 基于现场总线基于现场总线基于网络的测控系统模型基于网络的测控系统模型：基于基于InternetInternet基于网络的测控系统模型基于网络的测控系统模型：测控管一体化模型测控管一体化模型某公司钢轧总厂二号镀锌线系统示意图某公司钢轧总厂二号镀锌线系统示意图 （5）监控系统软件）监控系统软件n操作系统操作系统n网络管理网络管理n通信通信n组态组态操

12、作系统操作系统nWindows NT Windows CEn实时操作软件实时操作软件UxWorks网络管理软件网络管理软件n实现网络各节点的安装、删除、测试、实现网络各节点的安装、删除、测试、诊断，以及对网络数据库的创建、维护诊断，以及对网络数据库的创建、维护等功能等功能通信软件通信软件（1）DDE (Dinamic data exchange)：动态数据交换基于消息机制，用于控动态数据交换基于消息机制，用于控制系统实时数据通信。制系统实时数据通信。 当数据量大时，当数据量大时，效率较低。微软公司已停止发展效率较低。微软公司已停止发展 DDE技术，但仍给予支持。技术，但仍给予支持。 目前大多数

13、监目前大多数监控软件也支持控软件也支持DDE。 （2）OPC (OLE for Process Control)： 用于过程控制的用于过程控制的OLE以以Active X、COM&DCOM、XML及及.NET技术为基础。技术为基础。 OPC是一个是一个开放的软件接口规范，用于开放的软件接口规范，用于客户程序和服务器之间的数据通信。客户程序和服务器之间的数据通信。 OPC 使监控软件能高效、稳定地对硬件使监控软件能高效、稳定地对硬件设备进行存取操作设备进行存取操作, 系统应用软件之间也系统应用软件之间也可灵活地进行信息交换。可灵活地进行信息交换。.设备设备B设备设备A设备设备N应用软件应

14、用软件X.应用软件应用软件Z驱动程序驱动程序 传统应用系统体系结构传统应用系统体系结构.OPC服务器服务器设备设备BOPC服务器服务器设备设备AOPC服务器服务器设备设备N应用软件应用软件XOPC接口接口.应用软件应用软件ZOPC接口接口OPC客户客户 基于基于OPC技术的应用系统体系结构技术的应用系统体系结构监控组态软件监控组态软件监控组态软件是面向监控和数据采集监控组态软件是面向监控和数据采集(SCADA)的软件平台工具的软件平台工具，主要用来构建人，主要用来构建人机图形界面，功能多样机图形界面，功能多样,使用灵活使用灵活。它具有数。它具有数据采集、实时监控、实时数据库、通信及联据采集、实

15、时监控、实时数据库、通信及联网、开放数据接口等功能，并广泛支持各种网、开放数据接口等功能，并广泛支持各种I/O设备设备。 知名的监控组态软件在国际上有知名的监控组态软件在国际上有Wonderware公司的公司的 Intouch、Intellution公司的公司的iFix、西、西门子公司的门子公司的WinCC、NI公司的公司的LabView、Iconics公司的公司的Genesis等等。等等。Into uch是在是在上世纪上世纪80年代末推出的第一个商品化组态软件。年代末推出的第一个商品化组态软件。 国内有三维科技股份有限公司的力控软件、国内有三维科技股份有限公司的力控软件、北京亚控科技发展有限

16、公司的组态王、北京昆北京亚控科技发展有限公司的组态王、北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的仑通态自动化软件科技有限公司的MCGS等。等。1.3 过程控制策略过程控制策略1.3.1 反馈控制反馈控制n能补偿任意扰动能补偿任意扰动n存在主要问题：存在主要问题： （1）控制作用滞后）控制作用滞后 （2）必须考虑系统稳定性）必须考虑系统稳定性反馈控制系统的动态响应反馈控制系统的动态响应n工程师任务：工程师任务： （1） 设计合适控制方案设计合适控制方案 （2） 控制器参数整定控制器参数整定1.3.2 前馈控制前馈控制前馈反馈控制方案前馈反馈控制方案1.4 反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类n（1）定

17、值控制（）定值控制（Regulatory Control, “调节调节控制控制”）与伺服控制（）与伺服控制（Servo Control, “跟踪控跟踪控制制”）对照举例：连续过程与间歇过程（对照举例：连续过程与间歇过程（Batch Processes）或飞行控制。）或飞行控制。n (2) 连续时间控制（连续时间控制（Continuous-Time Control）与离散时间控制（）与离散时间控制（Discrete-Time Control, 也称也称“采样控制采样控制”/“数字控制数字控制”）举例：计算机控制系统举例：计算机控制系统n (3) 位式控制与连续输出控制位式控制与连续输出控制n（4

18、）常规控制与先进控制）常规控制与先进控制 PID类（包括：单回路类（包括：单回路PID、串级、前馈、串级、前馈、均匀、比值、分程、选择或超驰控制等），均匀、比值、分程、选择或超驰控制等），特点：主要适用于特点：主要适用于SISO系统、基本上不需要对系统、基本上不需要对象的动态模型、结构简单、在线调整方便。象的动态模型、结构简单、在线调整方便。 APC类（先进控制方法，包括：解耦控制、类（先进控制方法，包括：解耦控制、内模控制、预测控制、自适应控制等），内模控制、预测控制、自适应控制等），特点：主要适用于特点：主要适用于MIMO或大纯滞后或大纯滞后SISO系统、系统、需要动态模型、结构复杂、在线

19、计算量大。需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。控制系统的设计与实施控制系统的设计与实施n确定控制目标：确定控制目标：依据生产过程安全性、经济性与稳依据生产过程安全性、经济性与稳定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标；定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标；n选择被控变量：选择被控变量：选择与控制目标直接或间接相关的选择与控制目标直接或间接相关的可测量参数作为控制系统的被控变量；可测量参数作为控制系统的被控变量；n选择操作变量：选择操作变量：从所有可操作变量中选择合适的操从所有可操作变量中选择合适的操作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快；作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快

20、；n确定控制方案：确定控制方案：当被控变量与操作变量多于当被控变量与操作变量多于1个时，个时，既可以直接用既可以直接用MIMO（多输入多输出）控制方案；也（多输入多输出）控制方案；也可以将系统分解成几个可以将系统分解成几个SISO（单输入单输出）子系（单输入单输出）子系统再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。统再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。2.基于过程动力学的机理建模基于过程动力学的机理建模2.1 过程建模的目的与方法过程建模的目的与方法n过程建模的目的：过程建模的目的：（1）进行工业过程优化操作）进行工业过程优化操作（2）控制系统方案的设计与仿真研究）控制系统方案的设计与仿真研究

21、（3）控制系统的调试和控制器参数的整定）控制系统的调试和控制器参数的整定（4）作为模型预测控制等先进控制方法的数学）作为模型预测控制等先进控制方法的数学 模型模型（5）工业过程的故障检测与诊断）工业过程的故障检测与诊断（6）设备启动与停车的操作方案）设备启动与停车的操作方案（7）操作人员的培训系统）操作人员的培训系统（1）机理建模法）机理建模法 原理原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被

22、控对象的动态数学模型。程，由此获得被控对象的动态数学模型。特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。机理明确。建模的方法：建模的方法：（2）测试建模法）测试建模法 原理原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时加一定形式的激励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。由此获得对象的动态模型。特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型特点：无需深入了解过

23、程机理，但适用范围小，模型准确性有限。准确性有限。（3）半测试法建模）半测试法建模2.2 机理建模机理建模n2.2.1 机理建模得步骤机理建模得步骤（1）根据建模的对象和模型的使用目的进行）根据建模的对象和模型的使用目的进行 合理的假设合理的假设 （2）根据过程内在的机理建立数学模型）根据过程内在的机理建立数学模型 （3）简化模型）简化模型 物料和能量守恒关系物料和能量守恒关系 2.2.2 常用的方程常用的方程（1）无化学反应的物料流量关系）无化学反应的物料流量关系 （2）具有化学反应的组分）具有化学反应的组分A的物料平衡关系的物料平衡关系n（3）系统总的能量平衡关系）系统总的能

24、量平衡关系11NMiiijjjsijd EF hF hQWd t案例案例:加热式搅拌灌加热式搅拌灌1.质量守恒质量守恒()iod VWWdt 2.能量守恒能量守恒()()()orefiirefOorefdVTTcWc T TW c TTQdt加热体体积、温度动态方程加热体体积、温度动态方程1()()ioiiodVWWdtWdTQTTdtVVcn 若干基本定理若干基本定理n（1）能量方程）能量方程 具有冷却器的连续搅拌反应槽具有冷却器的连续搅拌反应槽n物料物料A的平衡关系的平衡关系00()AAAd cAVF cFcVkcdt00()dVFFdtn 物料守恒物料守恒反应槽传给冷却剂的

25、热量反应槽传给冷却剂的热量()cQK A TT能量守恒能量守恒000000()()()()()GdUKVFUKdtFUKQQWFpF p能量守恒简化能量守恒简化0000()()()GdUVFUp VFUpVQQdtA发生化学反应产生热量发生化学反应产生热量GAQkVc热焓（内能）定义热焓（内能）定义hUPV能量关系能量关系000()()AcdUVFhF hkVcK A TTdt000()()AcdhVFhF hkVcK A TTdt热焓用定压热容与热力学温度表示热焓用定压热容与热力学温度表示冷却物料温度动态关系冷却物料温度动态关系phc T0 0()()ppAcdTV cc FTFTkVcK

26、ATTdt（2）运动方程）运动方程1()Nijijd mvFdt （3）状态方程：密度、热焓与温度、）状态方程：密度、热焓与温度、 压力以及组分之间的关系压力以及组分之间的关系 液体焓：液体焓： phc T()hf T0( )tpThcT dT2012( )pc TAATAT定量理想气体的热焓定量理想气体的热焓气体密度气体密度nMMppVnRTVRT（4）平衡关系：化学反应平衡、相平衡）平衡关系：化学反应平衡、相平衡10Jjjjv0ln(/ )jjjTRpp（5）化学动力学的方程）化学动力学的方程/0E RTkk e2.3 典型过程的动态建模典型过程的动态建模n2.3.1 液体储罐的动态建模液

27、体储罐的动态建模n2.3.2 串联液体储罐的动态建模串联液体储罐的动态建模n2.3.3 气体压力储罐的动态建模气体压力储罐的动态建模n2.3.4 夹套式换热器的动态建模夹套式换热器的动态建模n2.3.5 管式换热器的动态建模管式换热器的动态建模n2.3.6 化学反应器的动态建模化学反应器的动态建模2.3.1 液体储罐的动态建模液体储罐的动态建模000000,ioiiioooQQhhhQQQQQQ HQiQoAoiQQdtdHAHkQon 物料平衡方程物料平衡方程：n 流体运动方程流体运动方程：iod hAQQdt 线性化：000002oooh hodQkQk hQhhQhdhh02iid hk

28、hAQhQdtRh ( )( )1iH sRQ sRAsiood hAQQdtQkH 2.3.2 串联液体储罐的动态建模串联液体储罐的动态建模111idhAQQdt221odhAQQdt1112Qkhh222Qkh串联液体储罐的动态建模串联液体储罐的动态建模11102220,hhhhhh 011100,iiioooQQQQQQQQQ串联液体储罐的动态建模串联液体储罐的动态建模11211idhhhAQdtR2122212dhhhhAdtRR串联液体储罐的动态建模串联液体储罐的动态建模2221122112221212123( )( )()()1()1iH sRQ sR AR A sR AR AR

29、A sKTT sTTT s相关串联液体储罐的动态建模相关串联液体储罐的动态建模相关串联液体储罐的动态建模相关串联液体储罐的动态建模2.3.3 气体压力储罐的动态建模气体压力储罐的动态建模()iod NMGGdtpVNRT气体压力储罐的动态建模气体压力储罐的动态建模dpRT dNdtVdt()iodpRTGGdtMV111()ivGKKpp p22()ovGKKpp p12010212120000( )( )( )( )( )1111ffvvKKKKP sK sKsP sP sTsTsTsTs气体压力储罐的动态建模气体压力储罐的动态建模2.3.4 夹套式换热器的动态建模夹套式换热器的动态建模夹套

30、式换热器的动态建模夹套式换热器的动态建模11 111221 1()oiodTGc TTGM cdt11111211 11122111()()()()()ooioiodT TMcc T T GGGGcG TTdt 增量化增量化 线性化线性化夹套式换热器的动态建模夹套式换热器的动态建模稳态情况下满足的条件稳态情况下满足的条件111212()0ioc G TTG方程可以简化为方程可以简化为11111 11111122()()oioiodTM cc TTGc GTTGdt 夹套式换热器的动态建模夹套式换热器的动态建模用传递函数表达如下：用传递函数表达如下：12211( )( )( )( )111ppp

31、aaY sU sD sD sT sT sT s 温度与出口流量、入口温度、入口流度、温度与出口流量、入口温度、入口流度、关系关系2.3.5 管式换热器的动态建模管式换热器的动态建模G2, c2, T2oG2, c2, T2iz = 0z = Ld z工艺介质11,G蒸汽冷凝水T1管式换热器的动态建模管式换热器的动态建模 分部参数模型：时间与位置分部参数模型：时间与位置11 1 11 112111 1( , )( , )( , )( , )( , )( , )T l tG cT l tG c T l tdlKAdl T l tT l tlT l tM c dlt流体流体1的动态变化关系的动态变化

32、关系管式换热器的动态建模管式换热器的动态建模流体流体2的动态变化关系的动态变化关系2221222 2( , )( , )()() ( , )( , )MT l tT l tKAT l tT l tGtlG c1112111 1( , )( , )()()( , )( , )MT l tT l tKAT l tT l tGtlG c化简如下：化简如下：112211112222( ,0)( ),( ,0)( )(0, )( ),(1, )( )(0, )( ),(1, )( )iooiT lT l T lT lTtT t TtTtTtTt TtTtn边界初始条件：边界初始条件：2.3.5 化学反应

33、器的动态建模化学反应器的动态建模化学反应器的动态建模化学反应器的动态建模（1）反应物）反应物A的反应速度方程的反应速度方程0EARTAAdcrK c edt （2）反应器内总的物料平衡）反应器内总的物料平衡00dVFFdt化学反应器的动态建模化学反应器的动态建模（3）反应物）反应物A的物料平衡的物料平衡00AAAAdVcF cFcVrdt（4）反应器内热量平衡：）反应器内热量平衡：1234RdHQQQQdt化学反应器的动态建模化学反应器的动态建模00() ()ppfpcoAdV c Tc FTc F TK A TTH Vrdt （5）夹套内冷剂热量平衡：）夹套内冷剂热量平衡：()()ccpcc

34、occpccicocodVc TFcTTK A TTdt化学反应器的动态建模化学反应器的动态建模00()EARTAAAdcFccc K edtV0()()ERTfAcoppK AdTFHTTc K eTTdtVcVc()()coccicococpdTFK ATTTTdtVVc化学反应器的动态建模化学反应器的动态建模 线性化线性化002()AAAAAATATd cFccEccFKcK cTdtVVRT 2()()ffTApATcoppd TFTTHTTFKcdtVVcK AHEK cTTTcVcRT ()()cicoccocicoccoccccpcd TFTTK ATTFTTdtVVVc 3.基

35、于实验数据的经验建模基于实验数据的经验建模 3.1阶跃响应建模阶跃响应建模 ( )( )1YsKUsTs( )(1)tTy tKAe01()tdydtKAT3.1.1阶跃响应的获取阶跃响应的获取 3.1.2 由阶跃响应确定近似传递函数由阶跃响应确定近似传递函数 典型工业过程传递函数典型工业过程传递函数( )( )( )1sY sKeG sU sTs( )1sKeG sTs12( )(1)(1)sKeG sTsT s( )(1)snK eG sTs( )sKG seTs( )(1)sKGses T s（1）一阶惯性环节加纯滞后作图法）一阶惯性环节加纯滞后作图法0()yyKq0,BAAT tttt

36、 ( )( )( )1sY sKeG sU sTs（2）两点法确定一阶惯性加纯滞后）两点法确定一阶惯性加纯滞后*00( )( )()y tyytyy无量纲表示：无量纲表示：响应的无量纲表示：响应的无量纲表示：00*00,( )1,ttTtty tett 两点法确定一阶惯性加纯滞后两点法确定一阶惯性加纯滞后1020*1*2()1()1ttTttTyteyte图上取两点的值图上取两点的值图上取两点的值解：图上取两点的值解：21*12ln1( ) ln1( )ttTy ty t*211212*12()ln1( ) ()ln1( )ln1( ) ln1( )tty ttty ty ty t两点法确定一

37、阶惯性加纯滞后两点法确定一阶惯性加纯滞后取特殊的两点值：取特殊的两点值：211.5()Ttt20ttT（3）确定二阶惯性加纯滞后模型参数）确定二阶惯性加纯滞后模型参数12121( ),(1)(1)G sTTT sT s12*121221( )1ttTTTTy teeTTTT 12*1212121( )ttTTTTy teeTTTT确定二阶惯性加纯滞后模型参数确定二阶惯性加纯滞后模型参数n取响应的相对值：取响应的相对值：0.4 0.8 进行计算进行计算111222121212121212120 .60 .2ttTTttTTTTeeTTTTTTeeTTTT确定二阶惯性加纯滞后模型参数确定二阶惯性加

38、纯滞后模型参数12121()2.16TTtt12121221.740.55()T TtTTt3.1.3 脉冲响应方法脉冲响应方法 脉冲响应方法脉冲响应方法11( )( )()u tu tu tt11( )( )()y ty ty tt11( )( )()y ty ty tt3.2 回归建模方法回归建模方法n不需要施加阶跃或脉冲输入信号不需要施加阶跃或脉冲输入信号n经验建模法三个基本要素：经验建模法三个基本要素： （1）输入输出数据）输入输出数据 （2）一组候选的模型集）一组候选的模型集 （3）选择模型的某种性能指标）选择模型的某种性能指标3.2.1 线性回归建模线性回归建模 多变量线性模型多变

39、量线性模型1pijijijYa XN个测量点的误差平方和个测量点的误差平方和211pNijijijEYa X线性回归建模线性回归建模误差的矩阵表达形式：误差的矩阵表达形式：() ()TEYXaYXa取误差最小可得：取误差最小可得：线性回归建模线性回归建模取误差最小可得：取误差最小可得：3.2 回归建模方法回归建模方法 案例：最小二乘在电能比对中的应用案例：最小二乘在电能比对中的应用3.2.2离散时间模型及其辨识离散时间模型及其辨识 模型的离散化表示模型的离散化表示 一阶模型：一阶模型：( )( )( )dy tTy tKu tdt() (1)(1) (1) ttTTyk teKu kte y

40、kt ( )(1)(1) (1)ttTTy key kKeu k 离散时间模型及其辨识离散时间模型及其辨识二阶模型：二阶模型：12(1)( )( )( )(1)(1)aK T sY sG sU sTsT s1212( )(1)(2)(1)(2)y kay ka y kbu kbu k 121212ttTTttTTaeeaee121211212(1)ttTTaaTTTTbKeeTTTT122111()1221212tttT TTTaaTTTTbK eeeT TT T离散时间模型及其辨识离散时间模型及其辨识有纯后有纯后N阶模型：阶模型：11( )(1)()()(1)aanadndby ka y k

41、a y knbu knb u knn离散时间模型及其辨识离散时间模型及其辨识案例：案例： 电吹风温度与输入能量之间动态关系电吹风温度与输入能量之间动态关系 模型的阶次、纯滞后是多少？模型的阶次、纯滞后是多少？随机产生随机产生35W或或65W，记录温度输出，记录温度输出离散时间模型及其辨识离散时间模型及其辨识随机产生随机产生35W或或65W，记录温度输出，记录温度输出()1.227(1)0.3954(2)0.0667(3)0.04394(4)y ky ky ku ku k反复反复试验试验离散时间模型及其辨识离散时间模型及其辨识3.2.3 神经网络建模神经网络建模 非线性模型非线性模型1100,1

42、( )nnijiiijijjjiiisxxxyf s 人工神经元模型人工神经元模型神经网络建模神经网络建模常见的活化函数常见的活化函数神经网络建模神经网络建模（1）前向网络）前向网络 BP网络网络()1( )1xf xe神经网络建模神经网络建模（1）前向网络）前向网络 RBF网络网络22( ),1,2,.,jjx cjxejm1( ),1,2,.,miijijyx in 神经网络建模神经网络建模（2）互联型神经网络）互联型神经网络 散型散型Hopfield网络网络1()miijjijiisxxf s神经网络建模神经网络建模案例：连续搅拌式反应器案例：连续搅拌式反应器 基于神经网路预测控制基于神

43、经网路预测控制121121222()()()()()()()()()()()() 1()bbbbbbbdhttthtdtdc tkc tttcc tcc tdththtkc t神经网络建模神经网络建模案例：连续搅拌式反应器案例：连续搅拌式反应器 基于神经网路预测控制基于神经网路预测控制3.基于实验数据的经验建模基于实验数据的经验建模 3.1阶跃响应建模阶跃响应建模 ( )( )1YsKUsTs( )(1)tTy tKAe01()tdydtKAT3.1.1阶跃响应的获取阶跃响应的获取 3.1.2 由阶跃响应确定近似传递函数由阶跃响应确定近似传递函数 典型工业过程传递函数典型工业过程传递函数( )

44、( )( )1sY sKeG sU sTs( )1sKeG sTs12( )(1)(1)sKeG sTsT s( )(1)snK eG sTs( )sKG seTs( )(1)sKGses T s（1）一阶惯性环节加纯滞后作图法）一阶惯性环节加纯滞后作图法0()yyKq0,BAAT tttt ( )( )( )1sY sKeG sU sTs（2）两点法确定一阶惯性加纯滞后）两点法确定一阶惯性加纯滞后*00( )( )()y tyytyy无量纲表示：无量纲表示：响应的无量纲表示：响应的无量纲表示：00*00,( )1,ttTtty tett 两点法确定一阶惯性加纯滞后两点法确定一阶惯性加纯滞后1

45、020*1*2()1()1ttTttTyteyte图上取两点的值图上取两点的值图上取两点的值解：图上取两点的值解：21*12ln1( ) ln1( )ttTy ty t*211212*12()ln1( ) ()ln1( )ln1( ) ln1( )tty ttty ty ty t两点法确定一阶惯性加纯滞后两点法确定一阶惯性加纯滞后取特殊的两点值：取特殊的两点值：211.5()Ttt20ttT（3）确定二阶惯性加纯滞后模型参数）确定二阶惯性加纯滞后模型参数12121( ),(1)(1)G sTTT sT s12*121221( )1ttTTTTy teeTTTT 12*1212121( )ttT

46、TTTy teeTTTT确定二阶惯性加纯滞后模型参数确定二阶惯性加纯滞后模型参数n取响应的相对值：取响应的相对值：0.4 0.8 进行计算进行计算111222121212121212120 .60 .2ttTTttTTTTeeTTTTTTeeTTTT确定二阶惯性加纯滞后模型参数确定二阶惯性加纯滞后模型参数12121()2.16TTtt12121221.740.55()T TtTTt3.1.3 脉冲响应方法脉冲响应方法 脉冲响应方法脉冲响应方法11( )( )()u tu tu tt11( )( )()y ty ty tt11( )( )()y ty ty tt3.2 回归建模方法回归建模方法n

47、不需要施加阶跃或脉冲输入信号不需要施加阶跃或脉冲输入信号n经验建模法三个基本要素：经验建模法三个基本要素： （1）输入输出数据）输入输出数据 （2）一组候选的模型集）一组候选的模型集 （3）选择模型的某种性能指标）选择模型的某种性能指标3.2.1 线性回归建模线性回归建模 多变量线性模型多变量线性模型1pijijijYa XN个测量点的误差平方和个测量点的误差平方和211pNijijijEYa X线性回归建模线性回归建模误差的矩阵表达形式：误差的矩阵表达形式：() ()TEYXaYXa取误差最小可得：取误差最小可得：线性回归建模线性回归建模取误差最小可得：取误差最小可得：3.2 回归建模方法回

48、归建模方法 案例：最小二乘在电能比对中的应用案例：最小二乘在电能比对中的应用3.2.2离散时间模型及其辨识离散时间模型及其辨识 模型的离散化表示模型的离散化表示 一阶模型：一阶模型：( )( )( )dy tTy tKu tdt() (1)(1) (1) ttTTyk teKu kte y kt ( )(1)(1) (1)ttTTy key kKeu k 离散时间模型及其辨识离散时间模型及其辨识二阶模型：二阶模型：12(1)( )( )( )(1)(1)aK T sY sG sU sTsT s1212( )(1)(2)(1)(2)y kay ka y kbu kbu k 121212ttTTt

49、tTTaeeaee121211212(1)ttTTaaTTTTbKeeTTTT122111()1221212tttT TTTaaTTTTbK eeeT TT T离散时间模型及其辨识离散时间模型及其辨识有纯后有纯后N阶模型：阶模型：11( )(1)()()(1)aanadndby ka y ka y knbu knb u knn离散时间模型及其辨识离散时间模型及其辨识案例：案例： 电吹风温度与输入能量之间动态关系电吹风温度与输入能量之间动态关系 模型的阶次、纯滞后是多少？模型的阶次、纯滞后是多少？随机产生随机产生35W或或65W，记录温度输出，记录温度输出离散时间模型及其辨识离散时间模型及其辨识

50、随机产生随机产生35W或或65W，记录温度输出，记录温度输出()1.227(1)0.3954(2)0.0667(3)0.04394(4)y ky ky ku ku k反复反复试验试验离散时间模型及其辨识离散时间模型及其辨识3.2.3 神经网络建模神经网络建模 非线性模型非线性模型1100,1( )nnijiiijijjjiiisxxxyf s 人工神经元模型人工神经元模型神经网络建模神经网络建模常见的活化函数常见的活化函数神经网络建模神经网络建模（1）前向网络）前向网络 BP网络网络()1( )1xf xe神经网络建模神经网络建模（1）前向网络）前向网络 RBF网络网络22( ),1,2,.,

51、jjx cjxejm1( ),1,2,.,miijijyx in 神经网络建模神经网络建模（2）互联型神经网络）互联型神经网络 散型散型Hopfield网络网络1()miijjijiisxxf s神经网络建模神经网络建模案例：连续搅拌式反应器案例：连续搅拌式反应器 基于神经网路预测控制基于神经网路预测控制121121222()()()()()()()()()()()() 1()bbbbbbbdhttthtdtdc tkc tttcc tcc tdththtkc t神经网络建模神经网络建模案例：连续搅拌式反应器案例：连续搅拌式反应器 基于神经网路预测控制基于神经网路预测控制4. 反馈控制反馈控制

52、n主要内容：主要内容： （1）控制系统的性能指标）控制系统的性能指标 （2）三种常规的反馈控制模式）三种常规的反馈控制模式 （3）PID控制器的选取与整定控制器的选取与整定 （4）反馈控制系统的投运）反馈控制系统的投运 4. 反馈控制反馈控制4.1控制系统的性能指标控制系统的性能指标4.1.1 以阶跃响应曲线的特征参数作以阶跃响应曲线的特征参数作 为性能指标为性能指标 以阶跃响应曲线的特征参数以阶跃响应曲线的特征参数作为性能指标作为性能指标 nBB21%100)()()(yytypst衰减比超调量回复时间余差)()(yxe偏差平方值积分偏差平方值积分02min)(dtteISE偏差绝对值积分偏

53、差绝对值积分0min)(dtteIAE偏差绝对值与时间乘积的积分偏差绝对值与时间乘积的积分0( )minITAEt e tdt4.1.1偏差积分性能指标偏差积分性能指标4.2 三种常规的反馈控制模式三种常规的反馈控制模式 PID 控制器控制器4.2.1 比例控制作用比例控制作用 0)()(uteKtuc比例控制作用比例控制作用比例增益对控制性能的影响比例增益对控制性能的影响控制器增益控制器增益 Kc对系统对系统性能的影响：性能的影响：增益增益 Kc 增大，系统增大，系统的调节作用增强，但的调节作用增强，但稳定性下降稳定性下降（当系统稳定时当系统稳定时，调，调节频率提高、余差下节频率提高、余差下

54、降）。降）。)11 ()(sTKsGicc00)1(uedtTeKutic积分时间4.2.2 比例积分控制作用比例积分控制作用 积分控制作用积分控制作用 比例积分控制器比例积分控制器积分作用对控制性能的影响积分作用对控制性能的影响 积分时间积分时间Ti 对系统性对系统性能的影响能的影响引入积分作用可以消引入积分作用可以消除稳态余差，但控制除稳态余差，但控制系统的稳定性下降。系统的稳定性下降。当积分作用过强时当积分作用过强时（即（即Ti 过小），可能过小），可能使控制系统不稳定。使控制系统不稳定。积分饱和的影响积分饱和的影响单回路系统的单回路系统的“积分饱和积分饱和”问题问题ud(t)广义对象y

55、(t)ysp(t)sTKIC11v问题问题：当存在大的外部扰动时，很有可能出现控制阀调节能力不够的情况，即使控制阀全开或全关，仍不能消除被控输出y(t)与设定值ysp(t)之间的误差。此时，由于积分作用的存在，使调节器输出u(t)无限制地增大或减少，直至达到极限值。而当扰动恢复正常时，由于u(t)在可调范围以外，不能马上起调节作用；等待一定时间后，系统才能恢复正常。抗积分饱和抗积分饱和PI控制器控制器4.2.3 比例积分微分控制作用比例积分微分控制作用 001)(udtdeTedteKudtTci)11 ()(sTsTKsGdiccn微分时间微分时间Td 对系统性能的影响对系统性能的影响微分作

56、用的增强（即微分作用的增强（即Td 增大），从理论上讲使增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对对高频噪声起放大作用。对于测量噪声较大的对高频噪声起放大作用。对于测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作象，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作用主要适合于用主要适合于一阶一阶滞后较大的广义对象，如温滞后较大的广义对象，如温度、成份等。度、成份等。微分作用对控制性能的影响微分作用对控制性能的影响实际的比例积分微分控制器11( )11dcciddT sG sKTsA T s其中Ad 为微分增益SimuLink 结构:4.3 P

57、ID控制器的选取与整定控制器的选取与整定 4.3.1 控制器的选型控制器的选型*1：当工业对象：当工业对象具有较大的滞后具有较大的滞后时，可引入微分时，可引入微分作用；但如果测作用；但如果测量噪声较大，则量噪声较大，则应先对测量信号应先对测量信号进行一阶或平均进行一阶或平均滤波。滤波。控制器的控制器的“正反作用正反作用”选择问题选择问题控制器Gc (s)执行器Gv (s)控制通道Gp (s)测量变送Gm (s)设定值ysp偏差 e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动 D干扰通道GD (s)+被控对象问题：如何构成一个负反馈控制系统？控制器的控制器的“正反作用正反作用”选择选择n 定

58、义：定义：当被控变量的测量值测量值增大时，控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。n 选择要点：选择要点：使控制回路成为“负反馈”系统。n选择方法选择方法：（1）假设检验法。假设检验法。先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统。（2）回路判别法。回路判别法。先画出控制系统的方块图，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。控制器的作用方向选择：假设检验法控制器的作用方向选择：假设检验法根据控制阀的“气开气关”的选择原则，该阀应选“气开阀”，即： u Rf。 假设温度控制器为正作用

59、，即：Tm u；则TC进料出料燃料TTmTspRfuTmuRfTTm结论结论：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用.控制器的作用方向选择：回路判别法控制器的作用方向选择：回路判别法温度控制器( ? )Tspe(t)+_Tm(t)+温度测量变送( + )燃料控制阀( + )T(t)u(t)Rf (t)加热炉控制通道( + )D(t)回路判别法的要点：（1）反馈回路中负增益环节（包括比较器）数为奇数；（2）对控制器而言，“正作用”是指Tm u。4.3.2 控制器参数整定控制器参数整定 （1）经验法）经验法针对被控变量类型的不同，选择不同的针对被控变量类型的不同，选择不同的PID参数初始值，

60、投运后再作调整。尽管简单，参数初始值，投运后再作调整。尽管简单，但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统，但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经验法属最为验法属最为“粗糙粗糙”的整定法。的整定法。（具体整定参数原则见（具体整定参数原则见 p.53 表表4.3-1）（2）临界比例度法）临界比例度法1、先切除、先切除PID控制器中的积分与微分作用（即将控制器中的积分与微分作用（即将积分时间设为无穷大，微分时间取为积分时间设为无穷大，微分时间取为0），并令），并令比例增益比例增益KC为一个较小值，并投入闭环运行；为一个较小值