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1、生产过程自动控制与先进控制1. 化学工业自动控制技术发展简史化工生产具有易燃、易爆、腐蚀性强、连续生产、工艺操作条件苛刻等特点.其中，对工艺参数的控制是一个重要的环节，过程控制系统完成对工艺参数的检测、显示、记录、控制、报警等功能，它对正确地指导生产操作、保证生产安全、保证产品产量和质量起着极其重要的作用.过程控制系统的特点是对生产过程进行实时控制,控制过程复杂、监控参数多且数据变化快、数据处理及存储量大。因此实际应用时应根据过程控制系统的特点及不同生产工艺过程的控制要求,采用不同的控制系统,才可以既安全可靠又经济高效地完成生产任务。目前,国内先进的大中型化工行业的过程控制基本上以采用PLC和
2、D为主，而FCS则是由DCS与PLC发展而来.FCS不仅具备DCS与PC的特点，而且功能更加完善。目前，新型的DC与新型的L都有向对方靠拢的趋势。新型的CS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络。与LC的适用范围已有很大的交叉。组态与先进控制软件是流程工业控制的两个重要方面，在流程工业控制的发展过程中起到了重要作用。自经典控制理论在流程工业开始应用以来，PID控制器和单元组合式仪表的产生和应用实现了控制结构和控制参数的方便“组态，开启了仪表和控制组态方法的先河。随着计算机特别是微计算机的发展，传统的基于模拟仪表的控制模式在大多数场合被基于计算机
3、计算的仪表和控制软件所替代，C、PLC、ilBs、工控组态软件等新的控制与监控技术及产品的出现,进一步强化了组态方法的作用。计算机控制技术和组态技术的发展,不仅极大地推动了先进控制的实施与应用，也促进了先进控制技术向工程化、商品化的推进,组态与先进控制软件成为流程工业控制及综合自动化的重要支柱。1。1.工控组态软件 上世纪50年代开始发展的单元组合仪表,是组态的一个早期实践，在控制结构上能灵活方便地实现过程工业所需要的控制系统,在控制器的参数设计上能利用标准的PID参数来基本满足稳定生产过程的需要,大大简化了过程控制系统的使用和推动了过程工业的自动化水平。7年代中期随着微处理器的出现，诞生了第
4、一代DC,即195年美国Hoeyl公司推出的世界上第一套TD-200 DS。由于CS都是面向通用控制的控制系统，可以应用到各种常规控制，为了使用户在不需要修改程序代码便可生成适合自己需求的应用系统，各个DCS厂商都开发了自己的应用软件,即控制系统的组态软件及所组态控制系统的在线实现软件。1。 过程控制 自50年代末发展起来的以状态空间方法为基础的现代控制理论，为过程控制带来了基于模型的状态反馈、输出反馈、解耦控制等一系列多变量控制系统设计方法；对于状态不能直接测量的情形，也有观测器和估计器等技术和工具。然而，这些方法大多需要对象的数学模型，而工业过程的复杂性使得建立其正确数学模型比较困难.此外
5、,现代控制理论所需的数学基础，也在一定程度上限制了它被工业界技术人员所熟悉和了解。 为了把现代控制理论应用于过程控制领域，解决过程控制中提出的难题，0年代以来,人们更是加强了建模理论、辨识技术及最优控制等工程化的研究,对深入认识连续生产过程的特点和规律起到了重要作用.在此基础上，并从工业过程的特点出发,提出了一些对数学模型要求不高，在线计算方便并有较强鲁棒性的实用控制策略和方法,如推理控制、鲁棒控制、自适应控制等。直到0年代末出现模型预估控制,才使最优控制的思想在过程工业中得到广泛的实际应用。模型预估控制以其建模方便、鲁棒性强、适应范围广以及便于实施等优点，逐渐得到工业界的认可,也开始了一些应
6、用的尝试，与其相应的理论基础和设计方法也得到了深入的研究,为先进控制的实际应用打下了坚实的基础。 180年前后，过程控制界专家发展了模型预测启发式控制（MPHC）、模型算法控制(MAC）和动态矩阵控制（DM）理论。从此，过程工业界便广泛接受了现代控制理论的概念，引发了预估控制等先进控制策略在工业过程控制中的大量实际应用。整个0年代,世界上出现了许多约束模型预估控制的工程化软件包。经过在模型辨识、优化算法、控制结构分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒性等一系列研究，基于模型控制的理论体系已基本形成,并成为目前过程控制中应用最成功,也最具有前途的先进控制策略. 预估控制是直接从工业过程应用中提出的一类
7、基于模型的优化控制算法。它的出现使得过程控制中强耦合、大迟延等难题迎刃而解,为过程控制增添了新的活力。预估控制的模型预估、反馈修正和滚动优化3大特征,是控制论中模型、反馈控制、优化概念的具体体现.它继承了最优的思想,提高了鲁棒性,可处理多目标及各种约束，因而符合工业过程的实际要求，故在理论和应用中得到迅速发展。 近年来,基于非线性模型和神经网络模型的预估控制也受到了关注,并有一些应用案例。2各种控制系统的特点.1可编程序逻辑控制器（PLC，rogamabe Logia Cotroller)可编程序逻辑控制器（Porable ogcal Conl）简称C，它是一种以微处理器为核心，综合了计算机技
8、术、自动控制技术和通信技术的一种工业自动控制装置。它的主要特点是体积小、功能强；工作可靠,运行速度快;积木式结构，组合灵活;具有良好的兼容性；程序编制及生成简单、丰富;网络功能强.PLC系统能很好地完成工业实时顺序控制、条件控制、计数控制、步进控制等功能；能够完成模/数（/D)和数/模（A）转换、数据处理、通讯联网、实时监控等功能。2.2分散控制系统（DS,iributed CorolSem）DCS是分散控制系统（triutdCotSytem)的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（ompuer）、通讯(Cou
9、ncation)、显示(CT）和控制(ontrol)等4技术.它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想,多层分级、合作自治的结构形式，同时也为正在发展的先进过程控制系统提供了必要的工具和手段。CS具有以下特点：2。2.高可靠性由于CS将系统控制功能分散在各台计算机上实现,系统结构采用容错设计,因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失.此外,由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。222开放性DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计,系统中各台计算机采用局域网方式
10、通信,实现信息传输,当需要改变或扩充系统功能时,可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下,几乎不影响系统其它计算机的工作。2.。3灵活性通过组态软件，根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量信号与控制信号及相互间连接关系,从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。2。2.4易于维护功能单一的小型或微型专用计算机具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时,可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换,迅速排除故障。2。5协调性各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享,协调工作,以完
11、成控制系统的总体功能和优化处理。2。2.控制功能齐全控制算法丰富,集连续控制、顺序控制于一体,可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成,也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。2.现场总线控制系统(FC ,Fieldbus Conrol System)现场总线控制系统（Filbu Contol Sytem）简称FC.它把控制功能彻底分散到现场总线仪表，真正实现了DS的分散控制.FCS主要有以下特点:FS系统的核心是总线协议,即总线
12、标准，一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。开放的现场总线控制系统具有高度的互操作性,就一个特定类型的现场总线而言,只要遵循该类型现场总线的总线协议，就对其产品是开放的,并具有互操作性。CS系统的基础是数字智能现场装置,系统结构具有高度的分散性;通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线,用单个现场仪表可实现多变量通信，不同制造厂生产的装置间可以完全互操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分简便。因此，系统安全性高,扩展灵活，可大大降低安装成本。.先进控制。先进控制的基本内容3.1。1模型预测控制模型预测控制是一类产生于20世纪70年
13、代的计算机控制算法.与传统的PID控制算法不同,模型预测控制不但利用当前时刻和过去时刻输出测量值与设定值的偏差,而且还利用预测模型来预估过程未来的偏差值，采用滚动优化的方法确定当前的最优控制作用。模型预测控制的基本步骤是预测模型建模、滚动优化和反馈校正。其代表性的控制算法有动态矩阵控制（DMC）、模型算法控制(AC）和广义预测控制（GPC).动态矩阵控制(C）算法是一种基于对象阶跃响应的预测控制算法,它适用于渐近稳定的线性对象。对于弱非线性对象,可在工作点附近作线性化处理后应用MC.作为一种有约束的多变量优化控制算法,DMC在194年在美国壳牌石油公司得到应用。此后，它被广泛用于炼油、石化、化
14、工、造纸等领域.3。.2自适应控制自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统.面对客观上存在的各种不确定因素,自适应控制系统能在对象运行过程中，通过不断地测量系统输入、状态、输出或性能指标，逐渐获得过程内部信息,然后对给定的评价指标和按一定的设计方法作出控制决策（更新控制器的结构、参数或修正控制作用)。自适应控制对模型和扰动的先验知识依赖程度较低。目前比较成熟的自适应控制系统可分为两大类,一类是模型参考自适应控制系统（odel ReferencedtiveSystem,MRS）；另一类是自校正调节器控制系统（Slf-uingRelato Contrl Sysem,STRCS）. 模型参考
15、自适应控制系统由参考模型、被控对象、反馈控制器和调整控制器参数的自适应机构等部分组成，如图1所示.从中可知，这类控制系统包含内外两个环路。内环是由被控对象和控制器组成的普通反馈回路，而控制器的参数则由外环调整.参考模型的输出ym就是对象输出y的期望值。自适应机构由系统输出响应(t)与模型输出响应m(t）的偏差信号e(t)驱动. 图1模型参考自适应控制系统结构图自校正调节器控制系统由被控对象、对象参数估计器、控制器参数计算机构和可调控制器组成，如图所示。和模型参考自适应控制系统相似,自校正调节器控制系统的内环包括被控制对象和一个普通的线性反馈控制器，控制器的参数由外环调节；但自校正调节器控制系统的外环由一个对象模型参数估计器和一个控制器参数计算机构所组成。参数估计器对被控对象进行在线参数估计;控制器参数计算机构根据对象模型参数估计值，按一定的设计准则获得新的控制器参数,并把这些参数赋给可调参数控制器;后者再根据设定值r和系统输出的偏差确定控制量,使整个系统达到预期的控制效果。图2自校正调节器控制系统结构图3.。3鲁棒控制实际控制对象一般很难用精确的数学模型描述.鲁棒控制基于被控对象的不确定性和不完全信息建模,再根据该模型设计能够满足期望性能指标的控制器。鲁棒控制的基本理论包
