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1、一、工业过程先进控制概论,1.工业生产过程的特点 (1) 过程控制系统组成的特点 由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成 (2) 被控过程具有非线性、时变、时滞及不确定性等难点 难于获得精确过程数学模型，增加移植控制策略的难度 (3) 被控过程多属于慢过程 具有一定时间常数和时滞，控制并不需在极短时间完成,1.1 工业生产过程概述,(4) 过程控制方案的多样性 同一被控过程，因受扰动不同，需要不同的控制方案 同一控制方案可适用于不同的生产过程控制 控制方案适应性强 (5) 工业生产过程控制的常用形式是定值控制 过程控制目的是保持被控变量稳定在所需设定值 (6) 工业生产过程控制实施手段的多
2、样性 可以方便地在计算机控制装置上实现 可以方便地在控制室或现场获得仪表的消息 可以直接进行仪表的校验和调整,1.自动化技术发展特点 同步性：理论开拓、技术工具和手段发展、应用需要之间的同步； 综合性：应用领域广泛、相关学科的交流和汇合； 2.工业生产过程控制发展史 在30-50年代 采用的控制理论：经典控制理论 研究方法： 微分方程解析方法 采用的技术工具：基地式大型仪表 研究内容：控制系统的稳定性和单输入单输出系统,1.2 工业生产过程控制的发展与趋势,在50-60年代 采用的控制理论：经典控制理论 研究方法： 经典的根轨迹和频域法 采用的技术工具：气动和电动单元组合式仪表 研究内容：从随
3、动控制系统到定常控制系统 从单回路到常用的复杂控制系统 从PID控制规律到特殊控制规律,在60-70年代 采用的控制理论：现代控制理论 研究方法： 状态空间、动态规划、极小值原理 采用的技术工具：电动III型仪表和DDC、SSC 研究内容：先进控制系统 （状态反馈、动态最优和计算机控制）,从70年代以来 采用的控制理论：大系统理论、非线性 和分布参数系统等 研究方法： 人工智能、鲁棒控制、模糊控制、 多变量频域、神经网络等 采用的技术工具： DCS/PLC/MIS 研究内容： 预测控制、自适应控制、 管控一体化、生产优化、 故障检测和诊断、生产计划和调度。 从80年以来 CIMS 、 CIPS
4、 、 FCS 、 ERP 、 APC 、 PA 、 FA 、 BA等,3.工业生产过程的发展趋势,综合自动化是当代工业自动化的主要潮流 综合自动化控制系统以生产过程的整体优化为目标， 以计算机为主要技术工具 以生产过程的管理和控制的自动化为主要内容 它是由生产计划和调度、操作优化、先进控制和基层 控制等内容组成的递阶控制系统。又称为计算机集成 过程控制系统。 自动化控制装置将采用全数字、智能的、具有 双向通信功能的现场总线智能仪表。,基金会现场总线（FF）是开放式的互联网络。 它是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 它的特点是： a.可靠性高、维护性好、抗干
5、扰能力强、安装费用低、精度高等 b.良好的互操作性 c.彻底的分散控制和丰富的检测、控制和运算等功能。 Internet 和Intranet 将在综合自动化系统中发挥重要作用。,4.当前过程控制系统发展的主要特点：,(1) 生产装置实行先进控制成为主流,原因：工业过程中存在多变量、 耦合性、时变性、 非线性等特征； 需求：高柔性、高效益。,包括：,a. 多变量控制：状态反馈、预测控制。 b.复杂过程的控制：解耦、时滞补偿、软测量推断控制、鲁棒控制、 自适应控制。 c.智能控制：模糊控制、专家系统、神经网络。,(2) 过程优化受到普遍关注,稳态优化和动态优化,离线优化和在线优化,稳态优化: 寻找
6、最佳参数设定值以达到经济效益最大化。,优化区域和满意解,(3) 传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统,（4） 综合自动化系统（CIPS）是发展方向,a 系统主线采用递阶系统结构形式,b 系统主线是控制和管理两个方面,c 系统信息的集成至关重要,1.2 工业过程控制的内涵,工业生产过程控制（Industrial Process Control） 是自动化的一门分支学科。 控制理论是基础，工业生产过程工程和工艺为一翼 自动化仪表和计算机为另一翼。研究主体是工业过程控制 系统时一门综合性的工程科学。,工业生产过程控制：研究控制理论在过程控制系统中的应用。 包括：控制理论的移植与改造 系统结构的
7、研究 控制算法的确定 控制系统的实现等。 工业过程控制已经发展为 具有科学性、条理性、定量理论指导的控制系统设计。,工业生产过程控制的任务： 对过程控制系统进行分析； 对过程控制系统进行设计； 对过程控制系统进行综合。,过程控制系统的性能指标,简单（单回路）控制系统示例,一个控制性能良好的过程控制系统在受到干扰作用或给定值发生变化后,被控制量应平稳、迅速、准确地回复(或趋近)到给定值上.在衡量和比较不同控制方案的质量时,通常可采用下述两种性能指标 * 系统过渡过程性能指标 * 性能准则,1、系统过渡过程性能指标,系统过渡过程的性能指标,1衰减比n和衰减率 衰减比n是指振荡过程的第一个波峰B1与
8、第二个波峰B2的振幅之比，即 n=B1:B2 n是衡量控制系统过渡过程稳定程度的指标：有时亦用衰减率表示系统稳定程度，衰减率为 通常认为性能较好的热工控制系统的衰减比n=4:110:1，对应的=0.750.9。,2、动态偏差(最大偏差)A 动态偏差A(最大偏差)即是被控制量的第一个波峰值与给定值之差，如图（1）中A所示 A=B+C 通常要求控制系统保证在受到最大扰动时,其动态偏差不得超过生产过程允许范围A。 对随动控制系统（图2）常用最大超调量这个指标来衡量被控制量偏离给定值的程度，超调量定义为,3过渡过程时间(调节时间) ts 指从扰动引起被控制量发生变化开始到重新恢复到稳态值为止所经历的时
9、间。 一般用过渡过程曲线衰减到不再超出稳态值的容许误差范围(即，通常取为稳态值的5%或2%)所需的最小时间作为过渡过程时间，即 (tts) 过渡过程时间(调节时间)也称为暂态过程时间或回复时间。,4静态偏差c 静态偏差是指系统过渡过程结束后，被控制量新的稳态值y()与给定值r(t)之差。 随动控制系统的静态偏差是过渡过程结束后，被控制量新的稳态值y()与新设定值r之间的差值。 静态偏差是控制系统稳态准确性的衡量指标。,2、性能准则（误差积分指标）,(1)误差积分（IE） (2)绝对误差积分（IAE）,性能准则（误差积分准则）,（3）平方误差积分（ISE） （4）偏差绝对值与时间乘积积分（ITA
10、E）,1.3 先进控制的概念,先进控制是对那些不同于常规单回路PID控制，并具有比常规PID控制更好的控制效果的控制策略的统称，而非专指某种计算机控制算法； 由于先进控制的内涵丰富，同时带有较强的时代特征，因此，至今对先进控制还没有严格的、统一的定义。 学术和企业的需要、控制理论和计算机技术的发展是先进控制（Advanced Process Control）发展强有力的推动力；,先进控制的主要特点： 一种基于模型和知识的控制策略； 通常用于处理复杂的多变量过程控制问题； 其实现需要足够的计算能力作为支持平台。,工业过程先进控制的核心内容： 数据的采集、处理和软测量技术； 多变量动态过程模型辨识技术； 先进控制策略； 先进控制的实施。,先进控制的工程化： 定义目标 分解目标至底层 识别先进控制的适用性 先进控制的效益成本分析 制订功能标准 先进控制的实现 调试,