第一章过程控制基本概念

1、过程控制系统过程控制系统邬晶邬晶上海交通大学电信学院自动化系上海交通大学电信学院自动化系联系方式：Email: Tel: 3420-7216Office: 电信群楼2号楼543室考试成绩记分方式考试成绩(70%)+平时成绩(30%)主要的教学内容主要的教学内容过程控制系统的基本概念复杂过程控制系统的设计与分析过程控制系统的模型辨识与设计多变量控制系统的稳定性分析与控制器设计过程控制系统的性能评估课程要求及参考书目课程要求及参考书目教学目标 什么是过程控制系统 过程控制系统的基本设计方法和原则 过程控制系统的建模与辨识 过程控制系统的控制器设计与稳定性分析 了解过程控制系统的性能评估方法教材及主

2、要参考书目工业系统辨识与控制，李少远等，化学工业出版社，2010年自动控制原理，胡寿松，科学出版社，2001年及以后新版本现代控制工程（第二版），绪方胜彦著，卢伯英等译，科学出版社，1984第一章第一章 过程控制的基本概过程控制的基本概念念1.1 工业过程控制系统工业过程控制系统 石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡 胶，合成氨 电力：火电厂 冶金：冶金加热炉，热处理炉 生化：啤酒，制药 轻工：食品，漂染 环境：水处理，大气监测 其它：农业，养殖业，过程控制领域过程控制领域1.1 工业过程控制系统工业过程控制系统例1.1 加热器的温度控制（见图1.1）控制目标：通过加热水箱中的水使其达到期望的温

3、度。系统的主要组成：TT(Temperature Transmitter)TC(Temperature Controller)加热器（执行器）水箱（Process）重要参数：R Reference signalM MeasurementC Controlled V Variable1.1 工业过程控制系统工业过程控制系统 T Steam Ti(t) Process fluid T(t) TT TC SP Condensate return Sensor Final control element Transmitter Controller 例1.2 换热器的温度控制（见图1.3）图1.3 换

4、热器的控制框图控制目标：使工艺流体的温度从Ti(t)T(t)。系统的主要组成：TT/SensorTCFinal control elementProcess重要术语：S Set P Point 设定值P Process rocess 被控对象C Controlledontrolled V Variable ariable 被控变量1.1 工业过程控制系统工业过程控制系统过程控制系统过程控制系统(Process Control System)的定义的定义 以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。物质和能量有相互作用和转换被控对象：被控对象：工业生产过程中的各

5、种生产装置和设备，如加热炉，锅炉，分馏塔，反应器等被控变量被控变量：温度、压力、流量、液位或料位、成分与物性等六大参数1.1 工业过程控制系统工业过程控制系统过程控制系统的基本组成过程控制系统的基本组成被控对象被控对象传感器和变送器传感器和变送器控制器控制器执行器执行器控制器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)+被控对象图1.4 简单过程控制的系统框图1.1 工业过程控制系统工业过程控制系统常用术语常用术语被控对象(Process/Object)：被控制的设备或装置被控

6、变量(Controlled Variable)：需要对其进行控制的工艺变量扰动(Disturbance)：影响被控变量的各种扰动作用操纵变量(Manipulated Variable)：受执行机构操纵用于克服扰动影响的变量测量值(Measurement )：被控变量经检测变送后即是测量值给定值(Set Point)：即被控变量的设定值偏差值(Error)：被控量的给定值与测量值之差控制器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1.1 工业过程控制系统工业过程控制系

7、统过程控制系统的特点过程控制系统的特点 被控对象的多样性 对象动态特性存在滞后和非线性 控制方案丰富多样 有多个过程检测控制仪表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。1.1 工业过程控制系统工业过程控制系统为什么要采用过程控制？为什么要采用过程控制？ 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； 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； 经济性：经济性：实现效益最大化或成本最小化。过程控制系统的分类过程控制系统的分类 按调节器的控制规律分：P、PI、PD、PID等 按被控

8、量的多少分：单变量和多变量控制系统 按系统的复杂程度来分：单回路和多回路系统 按系统的结构特点来分：反馈控制，前馈控制，复合控制(前馈-反馈控制) 1.1 工业过程控制系统工业过程控制系统1.1 工业过程控制系统工业过程控制系统过程控制系统控制目标被控对象，被控变量，操纵变量，控制器方案设计过程控制流程图过程控制流程图1.2 控制规律的选择控制规律的选择PID控制器控制器（包括：单回路PID、串级、前馈、均匀、比值、分程、选择或超驰控制等）特点：特点：主要适用于SISO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。APC控制器控制器（先进控制方法，包括：解耦控制、内模控制、预测控制

9、、自适应控制等），特点：特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。PID控制是控制工程中技术成熟、理论完善、应用最为广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型结构。在很多情形下，PID 控制可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、PD 或PID 控制。PID 不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。PID 控制参数整定方便，结构灵活，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。1.2 1.2 控制规律的选择控制规律的选择1.2 控制规律的选择控制规律的选择PID控制器控制器（包括

10、：单回路PID、串级、前馈、均匀、比值、分程、选择或超驰控制等）特点：特点：主要适用于SISO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。APC控制器控制器（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），特点：特点：主要适用于MIMO或大纯滞后SISO系统、需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。PID：Proportional Integral Derivative1.2 控制规律的选择控制规律的选择-PID控制控制PID控制：对偏差信号e=ysp-ym进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。控制器Gc (s)执行器Gv (s)控制通道Gp (s)测

11、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)+被控对象图1.4 简单过程控制的系统框图比例积分微分1.2.1 1.2.1 比例作用（比例作用（P P） 控制器输出信号u(t)与误差信号e(t)成比例关系，即：其中称为比例带/比例度。1.2 1.2 控制规律的选择控制规律的选择-PID-PID控制控制 teteKtuc1)(比例度定义为 Kc,比例控制作用就越强；Kc，比例控制作用就越弱。%1001%100minmaxminmaxcKuuuZZe例例1.3 1.3 换热器的温度控制系统换热器的温度控制系统原理: 热水温度是由传感器

12、T获取信号并送到调节器C的, 调节器控制加热蒸汽的调节阀开度以保持出口水温恒定, 加热器的热负荷既决定于热水流量Q也决定于热水温度。 假定现在采用比例调节器，并将调节阀开度直接视为调节器的输出。水温愈高，调节器应把调节阀开得愈小。图1.5 换热器系统1.2 1.2 控制规律的选择控制规律的选择-PID-PID控制控制直线直线1：是是比例调节器的静比例调节器的静特性特性, 即调节阀开度随水温即调节阀开度随水温变化的情况变化的情况. ,斜率斜率曲线曲线2和和3：分别代表加热分别代表加热器在器在不同的热水流量下的不同的热水流量下的静特性静特性,他们表示加热器在他们表示加热器在没有调节器控制时没有调节

13、器控制时,在不同在不同流量下的稳态出口水温与流量下的稳态出口水温与调节阀开度之间的关系调节阀开度之间的关系0()psQcKH1.2 1.2 控制规律的选择控制规律的选择-PID-PID控制控制直线直线1 1与直线与直线2 2的的交点交点O O：代：代表在热水流量为表在热水流量为Q0Q0，在，在P P调调节下的稳态运行点。此时出节下的稳态运行点。此时出口水温为口水温为0 0，调节阀开度，调节阀开度为为u u0 0. .若若热水流量减小为热水流量减小为Q1Q1，则调，则调节过程结束后，新的稳态点节过程结束后，新的稳态点将是直线将是直线1 1与与3 3的交点的交点A A。P P调节下残差为调节下残差

14、为: : A A-0 0无调节下无调节下: : B B-0 0结论：结论：P P调节是有差调节调节是有差调节1.2 1.2 控制规律的选择控制规律的选择-PID-PID控制控制残差的计算残差的计算: :KcKvKpKmreuyym调节阀被控过程测量变送器调节器1.2 1.2 控制规律的选择控制规律的选择-PID-PID控制控制特点：特点：反应速度快，在时间上没有延滞Kc残差e但有稳态余差有稳态余差, ,不不能消除能消除rKKKrKKKKyrepmvpmvcm11111Kc控制系统的稳定性降低。(与自控理论的分析一致。)0y(t)t1.2.2 积分作用（I） 积分控制是控制器的输出变化率与误差成

15、正比，即：1.2 1.2 控制规律的选择控制规律的选择-PID-PID控制控制0duS edt00tuSedt式中S0称为积分速度，可视情况取正值或负值此时，调节器的输出与偏差信号的积分成正比或特点：特点： （1）当且仅当e=0时, 积分调节器的输出是恒定的，没有稳态余差。（2）对于相同的对象，积分控制作用总是慢于比例控制，难以对干扰进行及时而且有效的抑制，从而降低系统的稳定性。（3）S0稳定性,最终出现发散的振荡过程 比例积分作用（PI）1.2 1.2 控制规律的选择控制规律的选择-PID-PID控制控制tItcedtTeedtSeKu00011特点：特点：既能及时控制，又能消除余差，但也降

16、低了系统的稳定性。 式中TI是积分时间常数。TI的定义的定义：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的时间。在Kc和A确定的情况下，直线的斜率将取决于积分时间TI的大小： TI越大，积分作用越弱，消除余差的能力弱；TI越小，积分作用越强，消除余差的能力强，但是，系统振荡加剧，稳定性越差。27例1.4: 热水加热器热水流量阶跃减小后的调节情况, 它显示了各个量之间的关系.热水流量Q: 出口水流量,发生阶跃扰动出口水温: 被调量,最初稳定在0比例调节p:它与曲线成镜面对称, 只是幅值不一样1.2 1.2 控制规律的选择控制规律的选择-PID-PID控制控制残差的消除是残差的消除是P

17、IPI调节器积分动作的结果比例部分的阀位输出调节器积分动作的结果比例部分的阀位输出p p在调节过程在调节过程的初始阶段起较大作用的初始阶段起较大作用, ,调节过程结束后返回到扰动发生前的数值调节过程结束后返回到扰动发生前的数值. . p p=K=Kc ce, e, 当调节过程结束后，当调节过程结束后，e=0,e=0,则则p p=0,=0,回到原来的位置回到原来的位置1.2 1.2 控制规律的选择控制规律的选择-PID-PID控制控制1.2.3 1.2.3 微分作用（微分作用（D D）微分控制是指微分控制是指调节器的输出与被调量或其偏差对时间的导调节器的输出与被调量或其偏差对时间的导数成正比，即

18、：数成正比，即：1.2 1.2 控制规律的选择控制规律的选择-PID-PID控制控制dtdeSu2注：注： 微分调节只能起辅助作用，不能单独使用微分调节只能起辅助作用，不能单独使用可以与其它调节动可以与其它调节动 作结合成作结合成PD或或PID控制。控制。式中式中S S2 2是微分时间常数。是微分时间常数。式中TD微分时间比例微分作用（比例微分作用（PDPD）1.2 1.2 控制规律的选择控制规律的选择-PID-PID控制控制dtdeTedtdeTeKdtdeSeKuDDcc12特点：特点：（1 1）在稳态下）在稳态下,de/dt=0, PD,de/dt=0, PD调节器的微分部分输出为零调节

19、器的微分部分输出为零, ,因此因此PDPD调节也是调节也是有差调节有差调节. .与与P P调节相同调节相同（2 2）微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡）微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡, , 能能提高系提高系统的稳定性统的稳定性。（3 3）能增加开环增益，提高系统的响应速度。）能增加开环增益，提高系统的响应速度。（4 4）对干扰较为敏感。）对干扰较为敏感。1.2 1.2 控制规律的选择控制规律的选择-PID-PID控制控制注：注：(1)微分作用的强弱要适当 TD太小，作用不明显，控制质量改善不大 TD太大，作用过强，引起被调量幅度振荡，稳定性下降(2) 微分调节动作对于纯迟延过程是无效的

20、。 (3) PD调节器的抗干扰能力很差, 只能应用于被调量的变化非常平稳的过程, 一般不用于流量和液位控制系统. 越小(Kc越大)，比例作用越强;TI越小, 积分作用越强;TD越大, 微分作用越强; TD 0, 则为PI控制; TI , 则为PD控制.1.2 1.2 控制规律的选择控制规律的选择-PID-PID控制控制比例积分微分控制器（比例积分微分控制器（PIDPID）dtdeTedtTedtdeTedtTeKdtdeSedtSeKuDtIDtIctc00200111小结小结1.2 1.2 控制规律的选择控制规律的选择-PID-PID控制控制控制器控制器控制参数控制参数对控制性能的影响对控制

21、性能的影响PKc(=1/) Kc(比例作用越强)稳定性, 有稳态余差，时间常数较小时间常数较小, 负荷变化较小负荷变化较小,工艺要求不高工艺要求不高ITITI(积分作用越强)稳定性, 无稳态余差DTDTD(微分作用越强)稳定性, 有稳态余差，但过大，系统易振荡导致不稳定PIKc，TI时间常数较小，负荷变化不大，无残差时间常数较小，负荷变化不大，无残差PDKc，TD时间常数较大或容积迟延较大，容许有残差时间常数较大或容积迟延较大，容许有残差PIDKc，TI，TD时间常数较大或容积迟延较大，无残差时间常数较大或容积迟延较大，无残差时间常数或容积迟延很大时间常数或容积迟延很大, 负荷变化很大时负荷变

22、化很大时设计设计APC积分饱和的定义：由于积分过量造成的控制不及时现象称为积分饱和。原因： 误差长时间存在 积分区间误差太大危害 使调节系统失去调节作用 调节不及时易造成事故 1.3 积分饱和现象与抗饱和方案积分饱和现象与抗饱和方案闭环系统性能达不到期望的线性性能指标并衰减闭环系统性能达不到期望的线性性能指标并衰减1.3 积分饱和现象与抗饱和方案积分饱和现象与抗饱和方案防止积分饱和的措施 输入受限：对控制器的输出和被控对象的输入幅值进行限制 反馈补偿 采用可实现参考值 条件积分过程控制系统控制目标被控对象，被控变量，操纵变量，控制器方案设计控制器参数整定和性能指标评估过程控制流程图过程控制流程

23、图1.4 控制器参数整定与系统性能评估控制器参数整定与系统性能评估控制器参数整定的基本要求 前提条件: 设计方案合理, 仪表选择得当, 安装正确 实质: 通过选择控制器参数, 实现最佳的控制效果 控制质量的决定因素:被控对象的动态特性评定整定效果的指标衰减率超调量调节时间ts上升时间tr1.4 控制器参数整定与系统性能评估控制器参数整定与系统性能评估常用的整定方法 理论理论计算整定法 时域法、频率特性法、根轨迹法等 工程工程整定法 动态特性参数法：Ziegler-Nichols，Cohen-Coon，带误差积分指标的整定公式（IAE，IE，ISE，ITAE） 经验凑试法 稳定边界法（临界比例度

24、法） 衰减曲线法劳斯表1.4 控制器参数整定与系统性能评估控制器参数整定与系统性能评估例1.4 设系统的开环传递函数为 ，系统稳定时Kc的取值范围328sGopKcGopreuy特征方程：088126082233ccKsssKs08806)88(112688612101112131cccKsKsKss稳定的条件：81088126088cccKKK理论计算整定法例1.5 给定如下位置跟踪控制系统结构图，其中 请确定控制器的参数使得系统满足如下设计指标：（1）阶跃输入下位置跟踪稳态误差小于10%；（2）在考虑纯延迟情况下，相位裕度大于50；（3）阶跃输入时超调量小于10%。sT78. 041.4

25、控制器参数整定与系统性能评估控制器参数整定与系统性能评估理论计算整定法-频域分析法频域分析法2) 1()()()(,)(sKsGsGcsLKsGc采用比例控制，不考虑纯延迟时系统开环传递函数为：设计思路：设计思路：首先采用最简单的比例控制，看能否满足设计指标？首先采用最简单的比例控制，看能否满足设计指标？如果不能，采用如果不能，采用PI控制，再确定控制器参数。控制，再确定控制器参数。1.4 控制器参数整定与系统性能评估控制器参数整定与系统性能评估阶跃输入R(s)=a/s 时，系统稳态误差：KaKaeKsGsGcKpsssp11,)()(lim0根据指标（1），确定K的取值范围：9101KaKa

26、ess由图可知：在满足稳态误差要求，且未考虑纯延迟情况下，系统相位裕度约为39。不能满足指标（2）的要求。如果考虑纯延迟，系统幅频特性不会变化，但相位会进一步滞后，相位裕度会进一步减小。取K=9，绘制系统Bode图。1.4 控制器参数整定与系统性能评估控制器参数整定与系统性能评估绘制K=9，纯延迟取不同值时系统Nyquist图。由图可见：纯延迟达到0.24时系统临界稳定，达到0.78时，系统不稳定。为了确保具有纯延迟时系统稳定，必须减小K。但减小K值将不能满足稳态误差要求。结论：结论：本系统采用比例控制难以满足设计指标要求。本系统采用比例控制难以满足设计指标要求。sTesKsGsGcsL2)

27、1()()()(1.4 控制器参数整定与系统性能评估控制器参数整定与系统性能评估sKsKsKKsGcIpIp)(sTIpesKsKsKsGsGcsL2) 1()()()(考虑采用PI控制器系统开环传递函数控制器加入积分，系统开环变为I型，自然满足指标（1）的要求。目前只需考虑满足指标（2）和（3）。对于指标（3）：P.O. 10%，由超调量计算式得0.59。PI控制器为开环系统增加了一个零点 z=-KI/KP ，此零点对闭环系统稳定性影响不大，将影响动态性能。根据阻尼与相位裕度近似公式0.01，选择系统相位裕度为60可满足指标（2）和（3）。PI控制器的Bode图-20-10010203040

28、Magnitude (dB)10-310-210-1100101-90-450Phase (deg)Bode DiagramFrequency (rad/sec)PIKK1.4 控制器参数整定与系统性能评估控制器参数整定与系统性能评估42) 1(9)(sessG再次绘制 Bode图 由图可知，使此系统相位裕度达到60的频率为0.87rad/s。幅频特性需要垂直降低14.5dB。所以，控制器sKKsKsGcPIP)(188. 010205 .14PK为了使控制器的相移不对系统相位裕度产生大的影响，其转折频率：0164. 01 . 0PcIKK87. 010cPIKKsssGc0164. 0188. 0)(0.87-1201.4 控制器参数整定与系统性能评估控制器