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1、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章第第 8 8 章章 先进过程控制技术先进过程控制技术8.1 概述概述从从40年代开始至今，采用年代开始至今，采用PID控制规律的单回控制规律的单回路系统一直是过程控制领域最主要的控制系统，单路系统一直是过程控制领域最主要的控制系统，单回路系统主要采用经典控制理论的频域分析方法进回路系统主要采用经典控制理论的频域分析方法进行控制系统的分析和设计。行控制系统的分析和设计。PID控制算法简单、有控制算法简单、有效，可以实现一般生产过程的平稳操作与运行。但效，可以实现一般生产过程的平稳操作与运行。但单回路单回路PID控制并不适用于特性复杂的被控过程，控制
2、并不适用于特性复杂的被控过程，不能满足生产工艺的特殊需要和高精度控制的要求。不能满足生产工艺的特殊需要和高精度控制的要求。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章从从50年代开始，过程控制领域陆续出现了串年代开始，过程控制领域陆续出现了串级、比值、前馈、均匀和级、比值、前馈、均匀和Smith预估控制等控制系预估控制等控制系统，即所谓的复杂控制系统，这些系统在一定程度统，即所谓的复杂控制系统，这些系统在一定程度上满足了复杂生产过程、特殊生产过程工艺以及高上满足了复杂生产过程、特殊生产过程工艺以及高精度控制的需要。精度控制的需要。从从60年年代代初初期期逐逐渐渐发发展展起起来来的的以以状状
3、态态空空间间为为基基础础的的现现代代控控制制理理论论日日趋趋完完善善，形形成成了了状状态态反反馈馈、状状态态观观测测、最最优优控控制制等等一一系系列列多多变变量量控控制制系系统统的的设设计计方方法法，对对自自动动控控制制技技术术的的发发展展起起到到了了积积极极的的推推动动作作用用。但但在在生生产产过过程程控控制制中中的的应应用用却却没没有有收收到到预预期期的的效效果果。这这是是因因为为：1、现现代代控控制制理理论论的的设设计计方方法法必必须须依依据据被被控控过过程程准准确确的的数数学学模模型型，但但生生产产过过程程往往往往难难以以用用简简单单而而精精确确的的数数学学模模型型描描述述；2、有有些
4、些过过程程具具有有过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章非非线线性性、时时变变性性、耦耦合合性性和和不不确确定定性性等等特特点点，即即使使做做了了大大量量简简化化得得到到线线性性定定常常模模型型，并并求求出出某某些些高高等等控控制制策策略略，但但由由于于这这些些控控制制策策略略的的结结构构和和算算法法往往往往十十分分复复杂杂，在在实实施施中中难难以以准准确确实实现现而而无无法法达达到到预预期期的的效效果果。随着过程工业日益走向大规模、复杂化，对生产随着过程工业日益走向大规模、复杂化，对生产过程的控制品质要求越来越高，出现了许多过程、结过程的控制品质要求越来越高，出现了许多过程、结构、
5、环境和控制均十分复杂的生产系统，出现了先进构、环境和控制均十分复杂的生产系统，出现了先进过程控制过程控制APC（亦称高等过程控制）的概念。关于先（亦称高等过程控制）的概念。关于先进过程控制，目前尚无严格而统一的定义。习惯上将进过程控制，目前尚无严格而统一的定义。习惯上将那些不同于常规单回路那些不同于常规单回路PID控制，并具有比常规控制，并具有比常规PID控控制更好控制效果的控制策略统称为先进过程控制，如制更好控制效果的控制策略统称为先进过程控制，如自适应控制、预测控制、专家控制、模糊控制、神经自适应控制、预测控制、专家控制、模糊控制、神经网络控制、推理控制等都属于先进控制。网络控制、推理控制
6、等都属于先进控制。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章相比于传统的控制技术，相比于传统的控制技术，先进控制技术有以下特点：先进控制技术有以下特点：1、先进控制的控制策略与传统的、先进控制的控制策略与传统的PID控制不同；控制不同；2、先进控制通常用于实现复杂被控过程的自动控制；、先进控制通常用于实现复杂被控过程的自动控制；3、先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持平、先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持平台。台。本章简要介绍近年来出现的典型先进控制，这些控本章简要介绍近年来出现的典型先进控制，这些控制方法在复杂工业过程控制中得到了成功的应用，制方法在复杂工业过程控制中得到了成
7、功的应用，受到工程界的欢迎和好评。受到工程界的欢迎和好评。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章8.2 自适应控制自适应控制前面讨论的控制系统设计和控制器参数整定，前面讨论的控制系统设计和控制器参数整定，都是在假定被控过程特性呈线性、模型参数固定不都是在假定被控过程特性呈线性、模型参数固定不变的条件下进行的，但在实际生产中，被控过程的变的条件下进行的，但在实际生产中，被控过程的数学模型参数会随着生产的不断进行发生变化。为数学模型参数会随着生产的不断进行发生变化。为了保证控制品质，当对象特性发生变化时应该重新了保证控制品质，当对象特性发生变化时应该重新整定控制器参数。采用常规整定控制器
8、参数。采用常规PID控制不能很好地适控制不能很好地适应过程特性参数的变化，导致控制品质下降，产品应过程特性参数的变化，导致控制品质下降，产品产量和质量不稳定。有一种控制系统，它能根据被产量和质量不稳定。有一种控制系统，它能根据被控过程特性变化情况，自动改变控制器的控制规律控过程特性变化情况，自动改变控制器的控制规律和可调参数，使生产过程始终在最佳状况下进行，和可调参数，使生产过程始终在最佳状况下进行，这称为这称为自适应控制系统自适应控制系统。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章自适应控制系统应该具有以下自适应控制系统应该具有以下基本功能基本功能：1、辨识被控对象的结构、参数和性能指
9、标的变化，、辨识被控对象的结构、参数和性能指标的变化，建立被控过程的数学模型，或确定当前的实际性建立被控过程的数学模型，或确定当前的实际性能指标；能指标；2、能根据条件变化，选择合适的控制策略或控制、能根据条件变化，选择合适的控制策略或控制规律，并能自动修正控制器的参数，保证系统的规律，并能自动修正控制器的参数，保证系统的控制品质，使生产过程始终在最佳状况下进行。控制品质，使生产过程始终在最佳状况下进行。 根据设计原理和结构的不同，自适应控制系统根据设计原理和结构的不同，自适应控制系统可以分为两大类，即可以分为两大类，即自校正控制系统自校正控制系统和和模型参考模型参考自适应控制系统自适应控制系
10、统。 需要指出需要指出：作为自适应的自行修正的控制器决：作为自适应的自行修正的控制器决不是常规的不是常规的PID控制器，而是一种其参数允许用外控制器，而是一种其参数允许用外加信号进行调整的控制器。加信号进行调整的控制器。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章8.2.1 自校正控制系统自校正控制系统自校正控制系统的原理如图所示。自校正控制系统的原理如图所示。它是在简单控制系统的基础上，增加一个外回路，它是在简单控制系统的基础上，增加一个外回路，外回路由参数辨识环节和控制器参数计算环节组成。外回路由参数辨识环节和控制器参数计算环节组成。被控过程的输入信号被控过程的输入信号 和输出信号和输
11、出信号 送入对象参数送入对象参数过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章辨识环节，在线辨识出被控过程的数学模型，控制辨识环节，在线辨识出被控过程的数学模型，控制器参数计算环节根据辨识得到的数学模型设计控制器参数计算环节根据辨识得到的数学模型设计控制律，计算和修改控制器参数，使对象特性发生变化律，计算和修改控制器参数，使对象特性发生变化时，控制系统性能仍保持或接近最优状态。时，控制系统性能仍保持或接近最优状态。自整定自整定控制器控制器就是采用这种原理实现就是采用这种原理实现PID参数的在线自整定。参数的在线自整定。根据生产过程的特点，采用不同的辨识算法、根据生产过程的特点，采用不同的辨识
12、算法、控制规律以及参数计算方法可设计出各种类型的自控制规律以及参数计算方法可设计出各种类型的自整定控制器和自校正控制系统。整定控制器和自校正控制系统。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章8.2.2 模型参考自适应控制系统模型参考自适应控制系统在生产过程中，过程的结构参数（在生产过程中，过程的结构参数（ ）经常会）经常会发生变化，此时采用模型参考自适应控制方法尤为发生变化，此时采用模型参考自适应控制方法尤为合适，这种方法适用于过程模型合适，这种方法适用于过程模型的结构参数变化的场合。的结构参数变化的场合。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章一、静态增益变化的模型参考自适应
13、控制一、静态增益变化的模型参考自适应控制有些工业生产过程，如热交换器、有些工业生产过程，如热交换器、PH控制过程、控制过程、成分过程等，其静态增益经常会发生变化，导致系统衰成分过程等，其静态增益经常会发生变化，导致系统衰减条件发生变化。模型参考自适应控制系统可以通过对减条件发生变化。模型参考自适应控制系统可以通过对调整环节系数调整环节系数A的修改，自动维持整个开环静态增益的的修改，自动维持整个开环静态增益的稳定。稳定。这种系统不需要专门的在线辨识装置，调整控这种系统不需要专门的在线辨识装置，调整控制系统控制规律和参数的依据是被控过程输出制系统控制规律和参数的依据是被控过程输出y(ty(t) )
14、相对于理想模型输出相对于理想模型输出y ym m(t(t) )的广义偏差的广义偏差e(te(t) )。通过。通过调整控制规律和参数，使系统的实际输出调整控制规律和参数，使系统的实际输出y(ty(t) )尽可尽可能与参考模型输出能与参考模型输出y ym m(t(t) )一致。一致。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章参考模型是模拟过程正常工况下的模型，它表示参考模型是模拟过程正常工况下的模型，它表示了控制系统的性能要求，可由比例、惯性与时延环节了控制系统的性能要求，可由比例、惯性与时延环节组成。参考模型与实际过程输出的偏差称为模型误差，组成。参考模型与实际过程输出的偏差称为模型误差，
15、即即 ，它可作为过程特性变化的识别。它通，它可作为过程特性变化的识别。它通过调整机构来修正被控系统参数，以便使其性能接近过调整机构来修正被控系统参数，以便使其性能接近参考模型性能。参考模型性能。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章自适应控制系统的调整环节自适应控制系统的调整环节A由下式组成，即由下式组成，即在过程参数变化之前，在过程参数变化之前，z0或者或者Au。自适应控制系统的目标函数选为：自适应控制系统的目标函数选为：（1）根据最陡下降法，系统调整系数根据最陡下降法，系统调整系数 为为式中：式中： 为修改增益系数，通常通过调整试验确定。为修改增益系数，通常通过调整试验确定。由式
16、（由式（1）可得）可得（2）（3）过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章由图可知（4）因此有（5）因为（6）将式（6）代入式（3），可得（7）将式（7）代入式（2），可得式中： （8）过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章所以（9）令（10）则因此，因此， 变化的模型变化的模型参考参考自适应系统的调整环节自适应系统的调整环节构成如下：构成如下：式（式（11）只需要一个乘法器和一个积分器就可构成，）只需要一个乘法器和一个积分器就可构成，也可由外接积分反馈的也可由外接积分反馈的PI调节器来实现。调节器来实现。（11）过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章二、纯时延时间
17、变化模型参考自适应控制二、纯时延时间变化模型参考自适应控制在生产过程中，负荷变化常常表现出纯时延特性的变在生产过程中，负荷变化常常表现出纯时延特性的变化化。系统的操作周期与纯时延时间系统的操作周期与纯时延时间 有关，有关， 的变化会的变化会引起操作周期的变化，而操作周期的变化会引起调节引起操作周期的变化，而操作周期的变化会引起调节器和过程动态增益的变化。为了维持系统原来的衰减器和过程动态增益的变化。为了维持系统原来的衰减度，必须相应改变调节环节的系数度，必须相应改变调节环节的系数A，以维持控制回，以维持控制回路的开环增益不变。路的开环增益不变。选择系统的调整公式为：选择系统的调整公式为：式中：
18、式中： 为修改系数。为修改系数。（12）（13）过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章所以所以将式（将式（14）代入式（）代入式（3）可得）可得（14）（15）将式（将式（15）代入式（）代入式（12）可得）可得（16）式中：式中： 。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章于是构成了如图所示的纯时延变化自适应控制系统。于是构成了如图所示的纯时延变化自适应控制系统。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章三、时间常数变化的模型参考自适应控制三、时间常数变化的模型参考自适应控制在工业生产过程中，如传热、传质状态的变化均会引在工业生产过程中，如传热、传质状态的变化均会引起过程时间常数的变化，从而引起过程动态增益的变起过程时间常数的变化，从而引起过程动态增益的变化。化。过程时间常数变化的自适应控制系统，其调整公式为：过程时间常数变化的自适应控制系统，其调整公式为：（17）（18）将式（将式（18）代入式（）代入式（3）可得）可得（19）过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章将式（将式（19）代入式（）代入式（17）可得）可得式中：式中： 。
