过程控制系统培训

过程控制系统

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控制系统的组成及工作原理自动控制系统由被控对象、检测元件（包括变送器）、控制器和执行器（阀）4部分组成。对一个控制系统的基本要求是稳定性、准确性和快速性，这三者是互相制约、互相矛盾的。如果稳定性过高，相比之下快速性就受到一定影响。控制器执行器（阀）对象检测元件或变送器设定x+-测量z操纵变量偏差e(给水)扰动f(水位)控制变量y自动控制系统方框图23过程控制的目标从生产过程的角度看，过程控制实现的目标：安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，主要措施包括：对重要参数设置定值控制、采取参数超限报警与事故报警、设置自动联锁保护系统等；经济性：即实现经济效益的最大化或操作成本的最小化，常用方法：采用约束控制与操作最优化技术；稳定性：即要求系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。常用方法：结合工业对象特性与控制理论对系统进行稳定性与鲁棒性分析。4信号传输标准

国际电工委员会（IEC）于1973年4月通过信号传输的国际标准：现场传输信号：直流4~20mA；控制室内仪表间的联络信号：直流1~5V.

适用范围：

DDZ-Ⅲ型、数字仪表、DCS系统等5信号传输标准DDZ-Ⅰ型、DDZ-Ⅱ

型仪表采用的信号传输标准为：

0~10mADC，或0~5VDC

两种标准的比较：

这种以20mA表示信号的满度值，而以此满度值的20%即4mA表示零信号的安排，称为“活零点”。6信号传输标准“活零点”的优点：有利于识别断电、断线等故障，且为实现两线制提供了可能性。所谓“两线制”变送器就是将供电的电源线与信号的输出线合并起来，一共只用两根导线。使用两线制变送器不仅节省电缆，布线方便，且大大有利于安全防爆，因为减少一根通往危险现场的导线，就减少了一个窜进危险火花的门户。78控制系统中常用名词术语被控对象被控变量操纵变量干扰设定值偏差9系统中各基本环节的作用被控对象：指要进行控制的设备或过程。检测装置：用来检测被控量，并将其转换成与给定量同一物理量。给定环节：是设定被控量给定值的装置。比较机构：将检测的被控量和给定值进行比较，确定两者之间的偏差。控制器：根据偏差的正负、大小及变化情况，按预定的控制规律实施控制作用，比较机构和控制器通常组合在一起，它们可以是气动控制器、电动控制器、可编程控制器、分布式控制器等。执行器：接受控制器送来的信号，相应地改变操纵变量以稳定被控变量，最常用的执行器是气动薄膜控制阀。10被控变量：被控对象中，通过控制能达到工艺要求设定值的工艺变量。设定值：被控变量的希望值，由工艺要求决定。测量值：被控变量的实际测量值。偏差：设定值与被控变量的测量值（统一标准信号）之差。操纵变量：由控制器操纵，能使被控变量恢复到设定值的物理量或能量。扰动：除操纵变量外，作用于生产过程对象并引起被控变量变化的随机因素。系统中各基本环节的作用11对象特性所谓对象特性就是指在输入作用下，其输出变量（被控变量）随时间变化而变化的特性。通常，认为对象有两种输入，即操纵变量输入信号和外界扰动信号，其输出信号只有一个被控变量。对象的负荷：当生产过程处于稳定状态时，单位时间流入或流出对象的物料或能量称为对象的负荷，也叫生产能力。对象的自衡：如果对象的负荷变化后，无需外加控制作用，被控变量能够自行稳于一个新的稳定值，这种性质被称为对象的自衡性。有自衡性的对象易于自动控制。12对象的自衡特性13描述对象特性的三个参数一个具有自衡性质的对象，在输入作用下，其输出最终变化了多少，变化的速度如何，以及它是如何变化的，可以由放大系数K、时间常数T、滞后时间τ加以描述。放大系数K：是指对象的输出信号（被控变量）的变化量与引起该变化的输入信号（操纵变量或扰动信号）变化量的比值。时间常数T：是反映对象在输入变量作用下，被控变量变化快慢的一个参数。滞后时间τ：有的过程对象在输入变量后，输出不是立即随之变化的，而是需要间隔一定的时间后才发生变化。这种对象的输出变化落后于输入变化的现象称为滞后现象。滞后时间τ就是描述对象滞后现象的动态参数，滞后时间τ分为纯滞后τ0和容量滞后τn；τ0是由对象传输物料或能量需要时间而引起的，一般由距离与速度来确定，而τn一般由多容或大容量的设备而引起，滞后时间τ=τ0+τn

。对于控制通道来说希望τ越小越好，而对于扰动通道来说希望τ适度大点好。14系统的滞后检测系统特性的影响主要表现为时间滞后的作用。造成系统滞后的主要原因有：被测对象滞后：测量点不能及时反映参数的变化。存在容积滞后和/或传递滞后。检测元件滞后：因热容、热阻等惯性因素的影响，导致检测仪表的输出不能及时反映参数的变化。信号传递滞后：主要是气动信号传递较慢导致系统反映滞后。15

自动控制系统的分类由于自动控制技术的广泛应用及控制理论的发展，使得控制系统具有各种各样的形式。按控制系统被调参数的变化规律可分为两大类，即开环系统和闭环系统。开环控制系统控制系统的输出信号（被控变量）不反馈到系统的输入端，因而也不对控制作用产生影响的系统。开环控制系统又分两种：一种是按设定值进行控制；另一种是按扰动量进行控制，即所谓前馈控制。闭环控制系统控制系统的输出信号（被控变量）通过测量变送环节，又返回到系统的输入端，与给定信号比较，以偏差的形式进入调节器，对系统起控制作用，整个系统构成了一个封闭的反馈回路。闭环控制系统按照设定值情况不同，又可分为3种类型：1、定值控制系统；2、随动控制系统（自动跟踪系统）；3、程序控制系统（顺序控制系统）16闭环控制系统的组成和作用1、闭环控制系统组成2、各环节的作用

温度闭环控制系统图17典型控制系统

按照控制系统结构，控制系统可以分为简单控制系统和复杂控制系统两大类。所谓简单控制系统，通常是指由一个测量元件、变送器、控制器、执行器和被控对象所构成的回路闭环系统，因此也称为单回路控制系统。所谓复杂，乃是相对于简单而言的。一般来说，凡是结构上较为复杂或控制目的上较为特殊的控制系统，都可以称为复杂控制系统。通常复杂控制系统是多变量的，具有两个以上变送器、控制器或执行器所组成的多个回路的控制系统，所以又称为多回路控制系统。常见的复杂控制系统有串级、均值、比值、分程、选择性、前馈、三冲量等系统。18PID:控制领域的常青树为什么在工业过程控制中大都（将近90%以上）采用PID控制器？

“PID控制器作为工业控制中的主导控制器结构，其获得成功应用的关键在于，大多数过程可由低阶动态环节（一阶或二阶惯性加纯滞后，简记作：FOPDT及SOPDT）近似逼近，而针对此类过程，PID控制器代表了一个实用而廉价的解。”1920

简单控制系统简单控制系统由被控对象、测量元件、变送器、控制器和执行器组成的闭环控制系统。控制器执行器被控对象测量变送器设定x+-测量z偏差e干扰f被控变量y简单控制系统方框图21简单控制系统

控制器控制规律的选择及参数整定

1)控制规律的选择目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律：比例控制规律、比例积分控制规律、比例积分微分控制规律，分别简写为P、PI和PID。在生产自动化系统中，经常将比例、积分、微分三种调节作用结合起来，构成比例积分微分调节，或称PID调节。在其输入输出数学表达式中，有三个特征常数，比例带δ（P）、积分时间TI、微分时间TD，用来表示比例积分微分的调节特性。比例带是比例的倒数，用百分数表示，所以比例带越大，比例越小。当比例积分微分调节器输入一个阶跃偏差时，调节器输出的调节信号等于比例作用、积分作用、微分作用三部分输出之和。比例作用的输出与偏差的大小成正比；积分作用的输出与偏差的变化速度成正比，输出变化量的大小不仅取决于偏差的大小，而且取决于偏差存在的时间长短，只要有输入偏差存在，输出就一直变化，只有在输入偏差为零时，输出才不再变化，可见积分作用能消除偏差；微分作用的输出与偏差的变化速率成正比，根据偏差变化速度的快慢而进行调节的，这叫做超前作用，只要偏差变化一露头，调节就立即起作用，当偏差没有变化时，微分调节不起作用。三个特征参数的作用顺序为：当有偏差输入时，微分作用立即动作，使调节器输出突然发生大幅度变化，然后就慢慢下降，比例作用也同时动作，偏差减小，再按照积分作用动作，随着时间的增加，积分作用越来越起主导作用，最后慢慢把偏差消除掉。22比例调节比例调节就是根据被控参数的偏差大小成比例地输出控制信号来进行调节的。放大系数与比例带比例调节过程的静差比例调节的特点比例调节的输出增量和输入增量呈一一对应的比例关系；比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，因此其动态特性很好；比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，存在静差（余差），这是由比例调节特性所决定的。比例带选择的一般原则：若对象较稳定（即对象的静态放大系数较小、时间常数不太小、滞后较小），则比例带可选的小些，这样可以提高整个系统的灵敏度，使反应速度加快些；相反，若对象放大系数较大，滞后时间较大，时间常数较小，则应当把比例带可选大一些，以增加系统的稳定性。比例带的选取，是调节器参数整定的主要内容。2324积分调节积分调节作用是调节器的输出变化量与输入偏差值随时间的积分成正比，也即输出的变化速度与输入偏差成正比。积分调节效果与应用采用积分调节器可以消除静差，这是积分调节器的优点之一；积分调节过程十分缓慢，其过渡过程拖得很长，被调参数变化幅度很大。2526微分调节理想微分调节的输出变化量与输入偏差速度成正比。偏差没有变化微分调节不起作用。微分调节主要用于克服调节对象的较大的传递滞后和容量滞后。理想微分调节是不能单独使用的，它总是依附于比例调节或比例积分调节。27小结比例调节：最简单，响应迅速，易整定；但存在静差。比例积分调节：最常用，无静差，较纯积分调节快速；适用于调节通道容量滞后较小，负荷变化不很大的系统。如流量、压力调节系统等。对于滞后较大的系统效果不好。比例微分调节：可提高稳定裕度，进而加大比例增益，加快调节过程，减小静差和动差。但对于高频扰动频繁、纯滞后较大的系统效果不理想。

28PID调节举例举一个给水箱加水的例子，来说明以上关系。当看到水箱水位低于预想值时，我们的大脑马上想到开大阀门给水箱加水，给水量会很大，如果预见到阀门开得过大，水位难以控制，很快会超过预想值，又会慢慢关小阀门，来控制加水量，这就是微分作用；同时，阀门开大或关小，决定了不同的给水量，水位按照不同的比例上涨，这就是比例作用；不管阀门开大与关小，达到预想水位的时间不同，阀门开度越大，需要时间越短，阀门开度越小，需要时间越长。通常情况下，随着时间的增加，水位慢慢地达到预想值，我们再去关死阀门，但是在关死阀门的过程中，仍然会有给水量，水位会超过预想值。为了更好地控制水位，我们会慢慢关小阀门，逐渐减少给水量，直到水位达到预想值时，阀门正好关死，这需要一定的时间段，阀门关小幅度越小，需要时间越长，反之亦然，这就是积分调节作用。如果选择适当的特征参数，就能充分发挥比例、积分、微分调节的优点，得到较为满意的调节效果。29简单控制系统2）控制器参数的工程整定首先要建立一个概念，自动调节是建立在波动不大、比较平稳的基础之上。在自动调节系统投运初期，由于工艺波动比较大，应该手动调节，并且速度不宜过快，以免引起工艺更大的波动。待工艺基本平稳后，再投入自动状态。在自动调节过程中，如果由于某中原因造成比较大的工艺波动，应该由自动切换到手动状态，待调整稳定后，再切换到自动状态。自动、手动切换要求实现无扰动切换PID调节器特征参数整定整定的方法很多，最常用的方法有：临界比例度法衰减曲线法经验凑试法30PID参数工程整定方法

31工程整定法-临界比例度法步骤： （1）先将PID控制器中的积分与微分作用切除，取比例带PB较大值，并投入闭环运行； （2）将PB由大到小变化，对应于某一PB值作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡； （3）设等幅振荡时所对应的振荡周期为Tm、控制器比例带Pm

，则通过查表，根据控制器类型选择PID参数.局限性：生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生等幅振荡。321.临界比例度法具体方法：在纯比例控制（Ti=0，TD=

）条件下通过试验获得临界比例度

K；再根据经验公式计算实际参数值

、Ti

、TD

。使用条件：临界比例法广泛应用于放大倍数较小，即控制器输出范围较小的系统；使用临界比例法必须是工艺系统允许短时间震荡的情形。33PID参数工程整定方法34Ziegler-Nichols反应曲线法35工程整定法-反应曲线法实验步骤：362.衰减曲线法具体方法：在纯比例控制（Ti=0，TD=

）条件下通过试验选择适宜的比例度

s使系统呈现4：1的衰减比；再根据所得的比例度和衰减周期通过经验公式计算实际参数值

、Ti

、TD

。使用条件：干扰作用不太频繁；干扰作用的规律性较强。37工程整定法-试凑法3839PID参数工程整定方法三、控制器参数的自整定：403.经验凑试法具体方法：根据一般经验选择适宜的控制参数

、Ti

、TD

；在实际运行过程中对参数进行适当的调整。使用条件：干扰作用频繁；干扰作用的规律性较差。41PID调节器特征参数整定

简单的调节系统整定方法有：经验凑试法、衰减曲线法、临界比例度法、反应曲线法。工程中最常用的是经验凑试法。整定参数寻“最佳”，从大到小顺序差。先是比例后积分，最后再把微分加；曲线震荡很频繁，比例带盘要加大；曲线波动周期长，积分时间再加长；理想曲线两个波，调节过程质量高。在加积分作用之前，应将比例带增加20%左右。总的原则是，震荡过强，则加大比例带，延长积分时间；回复过慢，则缩小比例带，缩短积分时间，最后引入微分作用，引入微分作用后，可将比例带缩小20%左右，积分时间也可放小一点。微分时间也要凑试，以使过度时间最短，超调最小。一般只有在管道压力调节系统或震荡过大的系统中，才使用微分调节。42控制规律与环节的正反作用常用控制一般都采用PID控制，通过适当调节比例常数、积分时间和微分时间常数可以实现多种控制规律。实际控制系统的每个环节都有正反作用规律：测量环节：间接指标可能与直接指标反向对应；控制环节：可以用被测参数减去设定值，也可以用设定值减去被测参数；执行环节：控制信号的加大可以导致执行结果的加大（如气开阀）或减少（如气关阀）。43调节器和气动执行机构的正、反作用当偏差值（设定值-实际值）减小，输出值减小，调节器为正作用，当偏差值减小，输出值增大，调节器为反作用。气动执行机构分执行机构和调节阀两部分。当输入信号增大，阀门开大，气动执行机构为正作用，也叫气开式；当输入信号增大，阀门关小，气动执行机构为反作用，也叫气闭式或气关式。正反作用的调节器和正反作用的气动执行机构组合，可以满足工艺调整的不同要求。44“正反作用”方式曲线描述45“正反作用”方式的选择46练习：调节阀与控制器的选取47控制系统投运准备工作熟悉工艺过程，了解主要工艺流程、主要设备的功能、控制指标和要求；熟悉控制方案，对测量元件和控制阀的安装位置、管线走向、工艺介质性质等都要心中有数；熟悉自动化工具的工作原理和结构仪表检查投运前应对仪表进行现场校验检查控制器的正、反作用及控制阀的气开、气闭型式投运前必须仔细检查控制阀的投运控制器的手动和自动切换无扰动切换控制器参数的整定48复杂调节系统

这里，把在简单反馈回路中再增加计算环节、控制环节或其他环节的控制系统称为复杂控制系统。但从输入和输出变量的关系来看，总体上仍基本是单一的。这些系统在50年代已有相当的发展、它们原是经典控制理论的产物，当时用常规仪表来实现。但到今天．它们也可用现代控制理论来分析，更多用计算机来实现，在

DCS装置中都备有很多种复杂控制系统的算法模块。

复杂控制系统包括：串级、比值、前馈、选择性控制系统等。这些系统有的以它们的结构命名，有的以功能特征或原理命名，因此出现了交叉的复杂局面，而且它们还可以相互融合，几者结合在一起。在各自特定的情况下，采用复杂控制系统对提高控制品质，扩大自动化应用范围．起着关键性的作用。作为粗略估计．复杂控制回路通常约占全部控制回路数的10％。49复杂控制系统串级控制系统比值调节系统多冲量（多参数）调节系统前馈调节系统新型控制系统

50515253对调节滞后的解决方法之一

对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口温度、阀前压力等扰动，夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受到。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2以尽快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设定值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求可用反应温度调节器TC1来自动实现）。“串级控制”54反应器温度的串级控制方案55

反应器温度串级控制框图565758串级控制系统串级控制系统是应用较早和目前应用较多的一种复杂控制系统。串级控制系统常用名词：主参数副参数主调节器副调节器主回路副回路59串级调节系统工作原理串级调节系统从总体上来看，仍然是一个定值调节系统，因此主参数在扰动作用下的调节过程和单回路调节系统的调节过程具有相同的品质指标和类似的方法。但与单回路调节系统相比，串级调节系统在结构上增加了一个与之相联的副回路，因而有其自己的特点。副控制器调节阀副对象副变送器e2e1主变送器主对象串级调节系统方框图主控制器60串级调节的特点串级调节系统由于副回路的快速作用，因而对进入系统的扰动具有很强的抑制能力。串级调节效果比单回路调节效果大大提高，这是串级调节系统的一个突出特点。正确运用这一特点可以大大提高系统的调节品质。串级调节系统由于副回路起了改善调节对象特性的作用，即使扰动作用点处于副回路的外面，然而由于副回路减小了调节对象的时间常数，能改善系统过渡过程的品质指标。串级调节系统具有一定的自适应能力。61

比值控制系统

凡是用来实现两个或两个以上的物料按一定比例关系关联控制，以达到某种控制目的的控制系统，称为比值控制系统（RateControlSystem）。比值控制系统是以功能来命名的。需要保持比值关系的两种物料，必有一种处于主导地位，我们称此物料流量为主参数或主流量，如燃烧比值系统中的燃料量；另一种物料流量称为副参数或副流量，如燃烧比值系统中的空气量（含氧量）。比值控制系统就是要实现主参数与副参数的对应比值关系。一般主流量随外界负荷需要而变，可测但不可控；副流量可测且可控，且供应有余，可供调节，使之成比例地改变，保证二者之比值不变。626364656667比值调节系统

比值调节系统：在工业生产中很大场合需要两种（或两种以上）物料按一定的比例混合，比例失调时则不能正常生产或可能造成生产事故。比值控制方案：开环比值控制方案：以一个参数的测定值控制另一个参数,实际生产中运用较少单闭环比值控制方案：以一个参数的测定值计算出另一个参数闭环控制的设定值,实际生产中运用广泛双闭环比值控制方案：以一个单闭环参数的测定值计算另一个参数闭环控制的设定值,仅在要求较高的场合使用变比值控制系统：由串级控制系统和比值控制系统组合而成，在串级控制系统中亦可称为串级比值控制系统。比值调节系统的投运和调节器参数整定：在比值调节系统中，由于构成方案和工艺要求不同，参数整定后其过渡过程的要求也不同。对于变比值调节系统，因主参数调节器相当于串级调节系统中的主参数调节器，其调节器应按主参数的要求而定且应严格保持不变。对于闭环比值调节系统的主动物料回路，可按单回路流量定值调节系统的要求整定，即在受到干扰作用后，既要有较小的超调，又能较快地回到给定值。目前，人们认为其调节器在阶跃干扰作用下，被调参数应以（4~10）：1衰减比为整定要求。68多冲量（多参数）调节系统多冲量调节系统的出现，是由于在汽包液位单冲量调节系统中，不能克服虚假液位所带来的影响，故在液位调节器的输出信号上再引入辅组冲量，例如蒸汽流量或给水流量信号，从而构成多冲量调节系统。多冲量调节的基本形式：辅助冲量的引入点位于主调节器的后面；辅助冲量的引入点位于主调节器的前面。确切的讲多冲量调节的目的不是以某一信号作为被调参数，而是以几个冲量的代数和作为被调参数，所以整个系统可以看做是以多冲量的综合信号为被调参数的单回路定值调节系统，因此它的动态特性及其整定方法和单回路调节系统是相同的。但是又和单回路有所区别，即使调节器选用PI调节规律，也仍然不能保持某一冲量在过渡过程结束时能回到自己的原始状态，只能使它们的综合信号恢复到本身的给定值。691.汽包水位的控制问题被调量：汽包水位，用H(s)表示调节量：汽包给水量，用G(s)表示主要干扰： 蒸汽负荷（蒸汽流量），用D(s)表示通道对象： 非自衡、非最小相位、非线性等特性说明：

汽包水位调节系统被调量是汽包水位，调节量是给水流量。它主要考虑汽包内部物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。70汽包水位干扰通道特性71汽包水位调节通道特性72液位非自衡对象响应测试（1）手动改变控制器的输出信号u(k)，观察被控变量y(k)的变化过程。（2）由阶跃响应曲线得到对象基本特征参数

。73汽包水位的单冲量控制注意：这里的单冲量指汽包水位。74汽包水位的双冲量控制75汽包水位的双冲量控制76汽包水位的双冲量控制C1

的取值比较简单，可取为1，也可小于1。C1

和调节器的放大系数的乘积是整个反馈回路的放大系数。例如，假设调节阀为气关阀，C1

=1，则调节器为正作用。设置C0的目的是使其在正常负荷下，调节器和加法器的输出都能有一个比较适中的数值。

控制阀气开与气关的选用，一般从生产安全角度考虑。如果高压蒸汽是供给蒸汽透平压缩机或汽轮机，那么为保护这些设备选用气开阀为宜；如果蒸汽仅仅用作加热剂，为保护锅炉以采用气关阀为宜。77汽包水位的双冲量控制

双冲量调节系统的不足：调节阀的工作特性不一定能成为线性特性，要做到静态补偿比较因难；对于给水系统的干扰仍不能克服。为此可再将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统。7879808182前馈控制的基本思想前馈思想：相对于串级控制，这里是在扰动还未影响输出以前，更及时地调整操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。前馈控制系统的主要特点是信息的向前流动，而且系统没有利用被调量，因为如果利用了被调量就相当于构成了闭环反馈。前馈控制器正是利用已知的给定值去改变调节量，同时测量扰动并对其做出补偿，以使被调量达到设定值。

83前馈控制的基本思想前馈思想：

单纯从扰动补偿的角度来看，在上述前馈控制系统中，从扰动作用点（负荷分量的变化）到被调量之间实际上存在着两条平行的通道，即过程干扰通道以及前馈补偿通道；如果这两个通道对输出影响的大小相同，而作用方向相反，则系统输出量完全不受扰动的影响，即实现了不变性，这就是所谓实现不变性的双通道原理。84852.前馈控制与反馈控制

在过程控制领域中，前馈和反馈是两类并列的控制方式，为了分析前馈控制的基本原理，首先对反馈控制和前馈控制的特点作一比较：1、反馈控制的特性：①反馈控制的本质是“基于偏差的控制”。如果没有偏差出现，也就没有控制作用了。②无论扰动发生在哪里，总要等到引起被控量发生偏差后，调节器才动作，故调节器的动作总是落后于扰动作用的发生，是一种“不及时”的控制。

86前馈控制与反馈控制③反馈控制系统，因构成闭环，故而存在一个稳定性问题。即使组成闭环系统的每个环节都是稳定的，闭环后是否稳定，仍然需要作进一步的分析。

④引起被控量发生偏差的一切扰动，均被包围在闭环内，故反馈控制可消除多种扰动对被控量的影响。也可以说，对各处的扰动均有校正作用。

⑤反馈控制系统中，调节器的控制规律通常是P、PI、PD、PID等典型规律。87前馈控制与反馈控制2、前馈控制的特性：①

前馈控制器是“基于扰动的控制”，故前馈控制又称为“扰动补偿”。②

扰动发生后，前馈控制器“及时”动作，对抑制被控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效。③前馈控制属开环控制，所以只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。④只对被前馈的可测而不可控的主要扰动有校正作用，而对系统中的其他扰动无校正作用。因此，前馈控制具有指定性补偿的局限性。⑤前馈控制器的控制规律，取决于被控对象的特性，因此．有时控制规律比较复杂。88前馈控制与反馈控制3、不变性原理与前馈控制器：

不变性原理是实现前馈控制的理论基础。“不变性”是指控制系统的被控量与扰动量完全无关，或在一定准确度下无关。然而进入控制系统中的扰动必然通过被控对象的内部联系、使被控量发生偏离其给定值的变化。而不变性原理是通过前馈控制器的校正作用，消除扰动对被控量的这种影响。89前馈控制的局限性

①前馈控制属开环控制方式

在开环控制下被控量的偏差没有进行检验。在前面所讨论的换热器温度前馈控制的例子中，被控温度是不存在反馈的，因此，如果前馈控制效果不佳，或其它扰动出现，被控温度将偏离给定值，由于前馈系统无法获得这一偏差信息而不能做进一步的校正。故单纯的前馈控制方案一般不宜采用。90前馈控制的局限性②完全补偿难以满足前馈控制只有在实现完全补偿的前提下，才能使得系统得到良好的动态品质。但完全补偿几乎是难以做到的，因为：a)要准确地掌握过程扰动通道特性及控制通道特性是不容易的，故而前馈控制器模型难以准确；且被控对象常含有非线性特性，在不同的运行工况下其动态特性参数将产生明显的变化，原有的前馈模型此时就不能适应了，因此无法实现动态上的完全补偿。b)即使前馈模型能准确求出．有时工程上也难以实现。91前馈控制的局限性c)实际的生产过程中，往往同时存在着若干个扰动,如上述换热器温度系统中，物料流量、物料入口温度、蒸汽压力等的变化均将引起出口温度的变化。如果要对一种扰动都实行前馈控制，就是对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个前馈控制器，这将会使控制系统庞大且复杂，从而将增加大量自动化设备的投资；另外，尚有一些扰动量至今无法对其实现在线测量，而若仅对某些可测扰动进行前馈控制，则无法消除其它扰动对被控参数的影响。这些因素均限制了前馈控制的应用范围。92前馈控制是按照干扰作用的大小进行校正的。当某一干扰出现后，调节器就对调节参数进行调整，校正干扰对被调参数的影响。因为它的调节特点是当干扰作用发生后，被调参数的变化还未显示出来，调节器就已经产生了调节作用，从而没有反馈调节冗长过程，因而被称为“前馈调节”。如果前馈控制能恰到好处的话，则可使被调参数不会因干扰作用而产生偏差所以这种调节要比反馈调节及时的多，并且它不受对象滞后大小的影响。前馈控制的特点：一是按干扰量进行调节；二是不管调节的效果如何。前馈控制是开环控制的结构形式，对补偿没有检验的手段，因此，无法知道被控变量是否存在偏差，也就无法做进一步的校正。而实际对象中常有多个扰动存在，有的扰动还不可测。因此，单独采用前馈控制是很难满足工艺生产要求的。在实际使用中往往采用前馈——反馈相结合的控制方案。主要扰动用前馈来迅速克服，其他干扰仍由反馈控制系统来克服，从而大大提高了控制系统的调节直流，满足工艺生产的控制要求。前馈调节适用于：扰动变化频繁而且幅值较大的场合；主要干扰可测而不可控的场合；扰动对被控变量的影响显著，单纯的反馈控制难以达到控制要求的场合。前馈控制系统

93

时滞补偿技术预测控制技术自适应控制技术解耦控制技术新型控制系统94时滞补偿技术

典型时滞过程大时滞过程的常规控制方法

Smith预估补偿算法及其性能

95典型时滞过程

纯滞后（或容量滞后）产生的主要原因有：

①物料及能量在管道或容器中的传输及运送时间；

②物质反应及能量交换需要一定的过程；

③许多设备串联在一起；

④测量装置的时间滞后，

⑤执行机构的动作时间。96大时滞过程

具有纯滞后过程被公认为是较难控制的过程，其难控程度将随着纯滞后占整个过程动态份额的增加而增加，一般认为纯滞后时间与主要时间常数之比超过0.3，甚至更大，则说该过程是具有大延迟的过程。比值越大，难控程度越大，因此，纯滞后过程的控制一直受到许多学者的关注,成为重要的研究课题之一。97时滞的影响

处于调节通道的对象纯滞后环节对闭环系统的调节性能是不利的。

从时域响应来看，首先使得被调量不能及时反映系统所承受的扰动，其次即使测量信号到达调节器，调节器立刻作出补偿动作，也需要经过纯延迟时间以后才能反映在被调量上，使之受到控制。因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量和较长的调节时间。从频域上看，纯滞后环节具有单位幅值，但相位滞后量却随频率成线性增长，因此，会导致闭环系统的稳定裕度降低，甚至不稳定。98时滞补偿技术

典型时滞过程

大时滞过程的常规控制方法

Smith预估补偿算法及其性能

99大时滞过程的常规控制方法

对于纯滞后环节，由于测量信号中已不包含关于过程未来变化的足够信息，通过微分进行预测是不可能的，所以大纯滞后过程一般都只使用PI控制算法。采样PI控制的基本思想是仿照有经验的操作工的操作，因而算法简单实用，同样不需要对象的数学模型。图3.1是采样PI控制的动作时间图，其中，为采样周期，为控制时间。

100采样PI控制PI-HLD(CNT1=2)控制器：类似手动控制；适用于大纯滞后对象，或对超调要求严格的场合。采样周期：并且：其中：为扰动时间常数101时滞补偿技术

典型时滞过程大时滞过程的常规控制方法

Smith预估补偿算法及其性能

102Smith补偿控制算法标准Smith补偿控制器的数字调节器实现103Smith补偿的局限性Smith补偿从理论上较好地解决了纯滞后系统的控制问题，最大的优点是将时滞环节移到了闭环之外,使控制品质大大提高。

Smith控制仍有缺陷，因为:①时滞补偿需要准确的过程数学模型，控制性能对模型误差较敏感；

②预估长度限于时滞长度。因为，根据上面的分析可以看出，其基本上是针对阶跃状扰动（当然过程控制领域内，大多数扰动为阶跃状的）具有很好的预估效果，而当存在建模误差时，预估不是十分准确的；模型失配较大时,甚至可能不稳定。104时滞补偿技术

典型时滞过程大时滞过程的常规控制方法

Smith预估补偿算法及其性能

105主要内容

时滞补偿技术

预测控制技术自适应控制技术解耦控制技术106模型预测控制模型预测控制概述控制器设计控制器参数调整过程约束多变量控制1071.概述工业上对多变量控制器的要求:直接从过程数据建立对象的动态模型；能够显式地包含过程约束信息；变量关联的完全补偿；有效且可靠的在线实现。108模型预测控制

模型预测控制

（

ModelPredictiveControl——MPC）满足所有上面提到的要求；将控制问题系统地描述成优化问题；能够把所有可得到的输入都可用于控制每一个输出；是最成功的多变量过程控制技术；至少有5,000套过程控制系统在采用；AspenTechnology&Honeywellmajorvendors109

预测控制的基本思想110预测控制的基本思想具有可测扰动的一般MBPC控制系统的基本结构1112.控制器设计预测时域(P)上的误差向量：如果控制时域

M=P如果M<P，则可获得更好的性能

112实际问题为避免过大的输入变化，需要增加罚函数项：改进的控制律：滚动时域的实现：计算输入:{Dun,Dun+1,…,Dun+M-1}；由于建模误差，不实现整个控制序列；只将第一个输入付诸实现：Dun在下一采样时刻获取新的对象测量值；重新计算输入序列。1133.控制器的参数调整MPC调整参数：采样周期:Ts调整时间:N预测时域:P控制时域:M输出加权矩阵:W1输入加权矩阵:W2114控制器的参数调整Ts,N&P通常根据具体问题来定义参数效果：增大M会使得控制器动作更加剧烈；对角矩阵W1用于输出尺度调整；通过进一步增大对角元素，则重点会更多地放在输出上。对角矩阵W2用于输入尺度调整；通过进一步增大对角元素，则重点会更多地放在输入上。

一般有如下原则，即“二次型函数中相对于未来预测远区间成本，近期成本权重越小，控制将会变得越发平滑和更加鲁棒”。1154.过程约束过程约束的一般原因：设备的物理限制；安全上的考虑；生产或产品质量指标；数学描述：输入和输出变量的不等式约束；由于可行性问题，避免等式约束；116过程约束MPC求解：目标函数维持不变；预测模型附加一组等式约束；一组输入/输出不等式约束；优化问题不大可能存在解析解；成为二次规划(QP)问题；在每一采样时刻进行求解。1175.多变量控制MPC最适用于多变量控制；对于已经建模耦合，可以提供显式的补偿；并不要求同样数量的输入和输出。双输入/双输出系统阶跃响应模型为：误差向量：如前一样，求解优化问题。118主要内容

时滞补偿技术预测控制技术

自适应控制技术解耦控制技术119自适应控制技术自适应控制概述基于完全模型的方法确定性（经典）控制、随机控制、自适应控制和智能控制的关系自适应控制的设计自适应控制的理论和应用概况120自适应控制

什么是“自适应控制”？一般在生活中，所谓“自适应”是指生物能改变自己的习性以适应新的环境的一种特征。自适应控制器是这样一种控制器，它能够修正自己的特性以适应对象和扰动的动特性的变化。121提出“自适应控制”方法的原因：

在经典控制理论中，当对象是线性定常、并且完全已知的时候，才能进行分析和控制器设计。无论采用频域方法，还是状态空间方法，对象一定是已知的。在线性对象已知的情况下，可以进行诸如稳定性分析、超前滞后校正环节设计、极点配置（状态反馈）、最优控制器设计等一系列控制系统的分析和综合工作。

这类方法称为基于完全模型的方法自适应控制122自适应控制技术自适应控制概述基于完全模型的方法确定性（经典）控制、随机控制、自适应控制和智能控制的关系自适应控制的设计自适应控制的理论和应用概况123基于完全模型的方法借助对象系统的数学模型，可以对对象系统的行为（自主的和受控后的）进行预测

微分方程型模型——行为的趋势预测差分方程型模型——行为的数值预测如描述对象的数学模型是线性的，且其结构（系统阶数、输入输出维数）、参数、外部干扰准确已知的话，这种预测也是准确的。据此可以针对数学模型进行各种分析、综合，设计满足性能指标要求的控制算法。在模型能够精确地描述实际对象时，基于完全模型的控制方法可以得到可靠、精确和满意的控制效果。124基于完全模型的方法

代价：详细研究、调查和测量（包括离线测量和在线辨识）实际对象，根据物理原理建立数学模型，通过仿真验证模型的精确性。获得：在一些情况下可以得到可靠、精确和满意的控制效果。 目前在理论上，基于完全模型的方法仅对线性对象和少数特殊的非线性对象有效。125自适应控制技术自适应控制概述基于完全模型的方法确定性（经典）控制、随机控制、自适应控制和智能控制的关系自适应控制的设计自适应控制的理论和应用概况126确定性（经典）控制、随机控制、自适应控制和智能控制的关系被控对象一般表示：如对上述表示可以线性化，得到：或再进行离散化，得到：1271）确定性控制问题系统结构n、m、r

已知；

参数θ已知（即矩阵A、B、C

或Φ、Γ、H

已知）；w(k)、v(k)

为时间k

的确定性已知函数，系统初始状态x(0)

已知。确定性最优控制问题：

已知对象模型和扰动的条件下，综合控制序列u(k)，使某一指定的性能指标函数J