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1、工业过程辨识与控制邬晶上海交通大学电信学院自动化系2012学年冬季学期教学内容与要求教学内容 工业过程控制系统的基本概念 工业过程控制系统的辨识与建模 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教学目标 了解控制系统的设计目的，掌握控制系统方块图描述法 掌握过程机理模型建模的一般方法 掌握PID等常规控制策略，了解先进控制技术，掌握其 设计思想、概念、特点及适用场合 在了解、熟悉、掌握生产工艺流程与生产过程的静态和 动态特性的基础上，根据工艺要求，应用控制理论、现 代控制技术，分析、设计、整定过程控制系统。课程要求及参考书目考核及成绩评定方法教材及主要参考书目工业系统辨识与
2、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平时作业、课堂测试、上课参与程度及出勤40%期终考试60%第一章 过程控制的基本概念1.1 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1.1 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度。 系统的主要组成：TT(Te
3、mperature Transmitter)TC(Temperature Controller)加热器（执行器）水箱（Process）重要参数：Reference signalMeasurementControlled Variable1.1 工业过程控制系统例1.2 换热器的温度控制（见图1.3）图1.3 换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/Sensor TC Final control element Process重要术语： Set Point 设定值 Process 被控对象 Controlled Variable 被 控变量1.1
4、 工业过程控制系统过程控制系统(Process Control System)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：工业生产过程中的各种生产装置和设备，如加热 炉，锅炉，分馏塔，反应器等被控变量：温度、压力、流量、液位或料位、成分与物性等 六大参数1.1 工业过程控制系统过程控制系统的基本组成 被控对象 传感器和变送器 控制器 执行器图1.4 简单过程控制的系统框图1.1 工业过程控制系统常用术语被控对象(Process/Object)：被控制的设备或装置被控变量(Controlled Variable)：
5、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1.1 工业过程控制系统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：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 工业过程控制系统为什么要采用过程控制？
6、 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：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：实现效益最大化或成本最小化。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1.1 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1.2 控制规律的选择PID控制器（包括：单回路PID、串级、前馈、均 匀、
7、比值、分程、选择或超驰控制等） 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（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：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
8、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 控制规律的选择1.2 控制规律的选择PID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：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（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：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-PID控制PID控制：对偏差信
9、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。图1.4 简单过程控制的系统框图比例积分微分1.2.1 比例作用（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 控制规律的选择-PID控制比例度定义为Kc,比例控制作用就越强；Kc，比例控制作用就越弱。例1.3 换热器的温度控制系统原理: 热水温度是由传感器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
10、器应把调 节阀开得愈小。图1.5 换热器系统1.2 控制规律的选择-PID控制直线1：是比例调节器的静 特性, 即调节阀开度随水温 变化的情况. ,斜率 曲线2和3：分别代表加热 器在不同的热水流量下的 静特性,他们表示加热器在 没有调节器控制时,在不同 流量下的稳态出口水温与 调节阀开度之间的关系1.2 控制规律的选择-PID控制直线1与直线2的交点O：代 表在热水流量为Q0，在P调 节下的稳态运行点。此时出 口水温为0，调节阀开度 为u0.若热水流量减小为Q1，则调 节过程结束后，新的稳态点 将是直线1与3的交点A。P调节下残差为: A-0无调节下: B-0结论：P调节是有差调节1.2 控
11、制规律的选择-PID控制残差的计算:KcKvKpKmreuyym调节阀被控过程测量变送器调节器1.2 控制规律的选择-PID控制特点：反应速度快，在时间上没有延滞 Kc残差e但有稳态余差,不 能消除Kc控制系统的稳定性降低。 (与自控理论的分析一致。)0y(t)Kc Kc增大增大t只有原系统稳定裕量充分大时只有原系统稳定裕量充分大时 才采用纯比例控制。才采用纯比例控制。1.2.2 积分作用（I）积分控制是控制器的输出变化率与误差成 正比，即：1.2 控制规律的选择-PID控制式中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： （1）当且仅当e=0时,
12、 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 控制规律的选择-PID控制特点：既能及时控制，又能消除余差，但也 降低了系统的稳定性。 式中TI是积分时间常数。 TI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
13、越差。26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 控制规律的选择-PID控制残差的消除是PI调节器积分动作的结果比例部分的阀位输出p在调节过程 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. p=Kce, 当调节过程结束后，e=0,则p=0,回到原来的位置1.2 控制规律的选择-PID控制1.2.3 微分作用（D）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 数成正比，即：1.2 控制规律的选择
14、-PID控制注： 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 作结合成PD或PID控制 。式中S2是微分时间常数。式中TD微分时间比例微分作用（PD）1.2 控制规律的选择-PID控制特点： （1）在稳态下,de/dt=0, PD调节器的微分部分输出为零,因 此PD调节也是有差调节.与P调节相同 （2）微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡, 能提高系 统的稳定性。 （3）能增加开环增益，提高系统的响应速度。 （4）对干扰较为敏感。1.2 控制规律的选择-PID控制注： (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
15、(2) 微分调节动作对于纯迟延过程是无效的。 (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 控制规律的选择-PID控制比例积分微分控制器（PID）小结1.2 控制规律的选择-PID控制控制器控制参数对控制性能的影响PKc(=1/) Kc(比例作用越强)稳定性, 有稳态余差， 时间常数较小, 负荷变化较小,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
16、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PDKc，TD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，无残差时间常数或容积迟延很大, 负荷变化很大时设计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，
