1、工業過程辨識與控制工業過程辨識與控制鄔晶鄔晶上海交通大學電信學院自動化系上海交通大學電信學院自動化系20122012學年冬季學期學年冬季學期教學內容與要求教學內容與要求教學內容 工業過程控制系統的基本概念 工業過程控制系統的辨識與建模 多變量控制系統的穩定性分析與控制器設計 過程控制系統的性能評估教學目標 了解控制系統的設計目的，掌握控制系統方塊圖描述法 掌握過程機理模型建模的一般方法 掌握PID等常規控制策略，了解先進控制技術，掌握其設計思想、概念、特點及適用場合 在了解、熟悉、掌握生產工藝流程與生產過程的靜態和動態特性的基礎上，根據工藝要求，應用控制理論、現代控制技術，分析、設計、整定過程

2、控制系統。課程要求及參考書目課程要求及參考書目考核及成績評定方法教材及主要參考書目工業系統辨識與控制，李少遠等，化學工業出版社，2010年自動控制原理，胡壽松，科學出版社，2001年及以后新版本現代控制工程（第二版），緒方勝彥著，盧伯英等譯，科學出版社，1984平時作業、課堂測試、上課參與程度及出勤40%期終考試60%第一章第一章 過程控制的基本概過程控制的基本概念念1.1 工業過程控制系統工業過程控制系統 石油化工：輸油，煉油，乙烯，合成橡 膠，合成氨 電力：火電廠 冶金：冶金加熱爐，熱處理爐 生化：啤酒，制藥 輕工：食品，漂染 環境：水處理，大氣監測 其它：農業，養殖業，過程控制領域過程控

3、制領域1.1 工業過程控制系統工業過程控制系統例1.1 加熱器的溫度控制（見圖1.1）控制目標：通過加熱水箱中的水使其達到期望的溫度。系統的主要組成：TT(Temperature Transmitter)TC(Temperature Controller)加熱器（執行器）水箱（Process）重要參數：R Reference signalM MeasurementC Controlled V Variable1.1 工業過程控制系統工業過程控制系統 T Steam Ti(t) Process fluid T(t) TT TC SP Condensate return Sensor Final

4、control element Transmitter Controller 例1.2 換熱器的溫度控制（見圖1.3）圖1.3 換熱器的控制框圖控制目標：使工藝流體的溫度從Ti(t)T(t)。系統的主要組成：TT/SensorTCFinal control elementProcess重要術語：S Set P Point 設定值P Process rocess 被控對象C Controlledontrolled V Variable ariable 被控變量1.1 工業過程控制系統工業過程控制系統過程控制系統過程控制系統(Process Control System)的定義的定義 以表征生產過

5、程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內的自動控制系統。物質和能量有相互作用和轉換被控對象：被控對象：工業生產過程中的各種生產裝置和設備，如加熱爐，鍋爐，分餾塔，反應器等被控變量被控變量：溫度、壓力、流量、液位或料位、成分與物性等六大參數1.1 工業過程控制系統工業過程控制系統過程控制系統的基本組成過程控制系統的基本組成被控對象被控對象傳感器和變送器傳感器和變送器控制器控制器執行器執行器控制器Gc (s)執行器Gv (s)控制通道Gp (s)測量變送Gm (s)設定值ysp偏差 e+_控制變量u操縱變量q被控變量y測量值ym擾動 D干擾通道GD (s)+被控對象圖1.4 簡單過程控制

6、的系統框圖1.1 工業過程控制系統工業過程控制系統常用術語常用術語被控對象(Process/Object)：被控制的設備或裝置被控變量(Controlled Variable)：需要對其進行控制的工藝變量擾動(Disturbance)：影響被控變量的各種擾動作用操縱變量(Manipulated Variable)：受執行機構操縱用于克服擾動影響的變量測量值(Measurement )：被控變量經檢測變送后即是測量值給定值(Set Point)：即被控變量的設定值偏差值(Error)：被控量的給定值與測量值之差控制器Gc (s)執行器Gv (s)控制通道Gp (s)測量變送Gm (s)設定值ys

7、p偏差 e+_控制變量u操縱變量q被控變量y測量值ym擾動 D干擾通道GD (s)+被控對象1.1 工業過程控制系統工業過程控制系統過程控制系統的特點過程控制系統的特點 被控對象的多樣性 對象動態特性存在滯后和非線性 控制方案豐富多樣 有多個過程檢測控制儀表過程控制系統的目標過程控制系統的目標：在擾動存在的情況下，通過調節操縱變量使被控變量保持在其設定值。1.1 工業過程控制系統工業過程控制系統為什么要采用過程控制？為什么要采用過程控制？ 安全性：安全性：確保生產過程中人身與設備的安全，保護或減少生產過程對環境的影響； 穩定性：穩定性：確保產品質量與產量的長期穩定，以抑制各種外部干擾； 經濟性

8、：經濟性：實現效益最大化或成本最小化。過程控制系統的分類過程控制系統的分類 按調節器的控制規律分：P、PI、PD、PID等 按被控量的多少分：單變量和多變量控制系統 按系統的復雜程度來分：單回路和多回路系統 按系統的結構特點來分：反饋控制，前饋控制，復合控制(前饋-反饋控制) 1.1 工業過程控制系統工業過程控制系統1.1 工業過程控制系統工業過程控制系統過程控制系統控制目標被控對象，被控變量，操縱變量，控制器方案設計過程控制流程圖過程控制流程圖1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇PID控制器控制器（包括：單回路PID、串級、前饋、均勻、比值、分程、選擇或超馳控制等）特點：特點：主要適用于SI

9、SO系統、基本上不需要對象的動態模型、結構簡單、在線調整方便。APC控制器控制器（先進控制方法，包括：解耦控制、內模控制、預測控制、自適應控制等），特點：特點：主要適用于MIMO或大純滯后SISO系統、需要動態模型、結構復雜、在線計算量大。PID控制是控制工程中技術成熟、理論完善、應用最為廣泛的一種控制策略，經過長期的工程實踐，已形成了一套完整的控制方法和典型結構。在很多情形下，PID 控制可以方便靈活地改變控制策略，實施P、PI、PD 或PID 控制。PID 不僅適用于數學模型已知的控制系統，而且對大多數數學模型難以確定的工業過程也可應用。PID 控制參數整定方便，結構靈活，在眾多工業過程控

10、制中取得了滿意的應用效果。1.2 1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇PID控制器控制器（包括：單回路PID、串級、前饋、均勻、比值、分程、選擇或超馳控制等）特點：特點：主要適用于SISO系統、基本上不需要對象的動態模型、結構簡單、在線調整方便。APC控制器控制器（先進控制方法，包括：解耦控制、內模控制、預測控制、自適應控制等），特點：特點：主要適用于MIMO或大純滯后SISO系統、需要動態模型、結構復雜、在線計算量大。PID：Proportional Integral Derivative1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇-PID控制控制PID控制：對偏

11、差信號e=ysp-ym進行比例、積分和微分運算變換后形成的一種控制規律。控制器Gc (s)執行器Gv (s)控制通道Gp (s)測量變送Gm (s)設定值ysp偏差 e+_控制變量u操縱變量q被控變量y測量值ym擾動 D干擾通道GD (s)+被控對象圖1.4 簡單過程控制的系統框圖比例積分微分1.2.1 1.2.1 比例作用（比例作用（P P） 控制器輸出信號u(t)與誤差信號e(t)成比例關系，即：其中稱為比例帶/比例度。1.2 1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇-PID-PID控制控制 teteKtuc1)(比例度定義為 Kc,比例控制作用就越強；Kc，比例控制作用就越弱。%1001%1

12、00minmaxminmaxcKuuuZZe例例1.3 1.3 換熱器的溫度控制系統換熱器的溫度控制系統原理: 熱水溫度是由傳感器T獲取信號并送到調節器C的, 調節器控制加熱蒸汽的調節閥開度以保持出口水溫恒定, 加熱器的熱負荷既決定于熱水流量Q也決定于熱水溫度。 假定現在采用比例調節器，并將調節閥開度直接視為調節器的輸出。水溫愈高，調節器應把調節閥開得愈小。圖1.5 換熱器系統1.2 1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇-PID-PID控制控制直線直線1：是是比例調節器的靜比例調節器的靜特性特性, 即調節閥開度隨水溫即調節閥開度隨水溫變化的情況變化的情況. ,斜率斜率曲線曲線2和和3：分別代表

13、加熱分別代表加熱器在器在不同的熱水流量下的不同的熱水流量下的靜特性靜特性,他們表示加熱器在他們表示加熱器在沒有調節器控制時沒有調節器控制時,在不同在不同流量下的穩態出口水溫與流量下的穩態出口水溫與調節閥開度之間的關系調節閥開度之間的關系0()psQcKH1.2 1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇-PID-PID控制控制直線直線1 1與直線與直線2 2的的交點交點O O：代：代表在熱水流量為表在熱水流量為Q0Q0，在，在P P調調節下的穩態運行點。此時出節下的穩態運行點。此時出口水溫為口水溫為0 0，調節閥開度，調節閥開度為為u u0 0. .若若熱水流量減小為熱水流量減小為Q1Q1，則調，則

14、調節過程結束后，新的穩態點節過程結束后，新的穩態點將是直線將是直線1 1與與3 3的交點的交點A A。P P調節下殘差為調節下殘差為: : A A-0 0無調節下無調節下: : B B-0 0結論：結論：P P調節是有差調節調節是有差調節1.2 1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇-PID-PID控制控制殘差的計算殘差的計算: :KcKvKpKmreuyym調節閥被控過程測量變送器調節器1.2 1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇-PID-PID控制控制特點：特點：反應速度快，在時間上沒有延滯Kc殘差e但有穩態余差有穩態余差, ,不不能消除能消除rKKKrKKKKyrepmvpmvcm1111

15、1Kc控制系統的穩定性降低。(與自控理論的分析一致。)0y(t)t1.2.2 積分作用（I） 積分控制是控制器的輸出變化率與誤差成正比，即：1.2 1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇-PID-PID控制控制0duS edt00tuSedt式中S0稱為積分速度，可視情況取正值或負值此時，調節器的輸出與偏差信號的積分成正比或特點：特點： （1）當且僅當e=0時, 積分調節器的輸出是恒定的，沒有穩態余差。（2）對于相同的對象，積分控制作用總是慢于比例控制，難以對干擾進行及時而且有效的抑制，從而降低系統的穩定性。（3）S0穩定性,最終出現發散的振蕩過程比例積分作用（PI）1.2 1.2 控制規律的選

16、擇控制規律的選擇-PID-PID控制控制tItcedtTeedtSeKu00011特點：特點：既能及時控制，又能消除余差，但也降低了系統的穩定性。 式中TI是積分時間常數。TI的定義的定義：在階躍偏差作用下，控制器的輸出達到比例輸出的兩倍所經歷的時間。在Kc和A確定的情況下，直線的斜率將取決于積分時間TI的大小： TI越大，積分作用越弱，消除余差的能力弱；TI越小，積分作用越強，消除余差的能力強，但是，系統振蕩加劇，穩定性越差。26例1.4: 熱水加熱器熱水流量階躍減小后的調節情況, 它顯示了各個量之間的關系.熱水流量Q: 出口水流量,發生階躍擾動出口水溫: 被調量,最初穩定在0比例調節p:它

17、與曲線成鏡面對稱, 只是幅值不一樣1.2 1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇-PID-PID控制控制殘差的消除是殘差的消除是PIPI調節器積分動作的結果比例部分的閥位輸出調節器積分動作的結果比例部分的閥位輸出p p在調節過程在調節過程的初始階段起較大作用的初始階段起較大作用, ,調節過程結束后返回到擾動發生前的數值調節過程結束后返回到擾動發生前的數值. . p p=K=Kc ce, e, 當調節過程結束后，當調節過程結束后，e=0,e=0,則則p p=0,=0,回到原來的位置回到原來的位置1.2 1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇-PID-PID控制控制1.2.3 1.2.3 微分作用（微

18、分作用（D D）微分控制是指微分控制是指調節器的輸出與被調量或其偏差對時間的導調節器的輸出與被調量或其偏差對時間的導數成正比，即：數成正比，即：1.2 1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇-PID-PID控制控制dtdeSu2注：注： 微分調節只能起輔助作用，不能單獨使用微分調節只能起輔助作用，不能單獨使用可以與其它調節動可以與其它調節動 作結合成作結合成PD或或PID控制。控制。式中式中S S2 2是微分時間常數。是微分時間常數。式中TD微分時間比例微分作用（比例微分作用（PDPD）1.2 1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇-PID-PID控制控制dtdeTedtdeTeKdtdeSeKu

19、DDcc12特點：特點：（1 1）在穩態下）在穩態下,de/dt=0, PD,de/dt=0, PD調節器的微分部分輸出為零調節器的微分部分輸出為零, ,因此因此PDPD調節也是調節也是有差調節有差調節. .與與P P調節相同調節相同（2 2）微分調節動作總是力圖抑制被調量的振蕩）微分調節動作總是力圖抑制被調量的振蕩, , 能能提高系提高系統的穩定性統的穩定性。（3 3）能增加開環增益，提高系統的響應速度。）能增加開環增益，提高系統的響應速度。（4 4）對干擾較為敏感。）對干擾較為敏感。1.2 1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇-PID-PID控制控制注：注：(1)微分作用的強弱要適當 TD

20、太小，作用不明顯，控制質量改善不大 TD太大，作用過強，引起被調量幅度振蕩，穩定性下降(2) 微分調節動作對于純遲延過程是無效的。 (3) PD調節器的抗干擾能力很差, 只能應用于被調量的變化非常平穩的過程, 一般不用于流量和液位控制系統. 越小(Kc越大)，比例作用越強;TI越小, 積分作用越強;TD越大, 微分作用越強; TD 0, 則為PI控制; TI , 則為PD控制.1.2 1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇-PID-PID控制控制比例積分微分控制器（比例積分微分控制器（PIDPID）dtdeTedtTedtdeTedtTeKdtdeSedtSeKuDtIDtIctc0020011

21、1小結小結1.2 1.2 控制規律的選擇控制規律的選擇-PID-PID控制控制控制器控制器控制參數控制參數對控制性能的影響對控制性能的影響PKc(=1/) Kc(比例作用越強)穩定性, 有穩態余差，時間常數較小時間常數較小, 負荷變化較小負荷變化較小,工藝要求不高工藝要求不高ITITI(積分作用越強)穩定性, 無穩態余差DTDTD(微分作用越強)穩定性, 有穩態余差，但過大，系統易振蕩導致不穩定PIKc，TI時間常數較小，負荷變化不大，無殘差時間常數較小，負荷變化不大，無殘差PDKc，TD時間常數較大或容積遲延較大，容許有殘差時間常數較大或容積遲延較大，容許有殘差PIDKc，TI，TD時間常數

22、較大或容積遲延較大，無殘差時間常數較大或容積遲延較大，無殘差時間常數或容積遲延很大時間常數或容積遲延很大, 負荷變化很大時負荷變化很大時設計設計APC積分飽和的定義：由于積分過量造成的控制不及時現象稱為積分飽和。原因： 誤差長時間存在 積分區間誤差太大危害 使調節系統失去調節作用 調節不及時易造成事故 1.3 積分飽和現象與抗飽和方案積分飽和現象與抗飽和方案閉環系統性能達不到期望的線性性能指標并衰減閉環系統性能達不到期望的線性性能指標并衰減1.3 積分飽和現象與抗飽和方案積分飽和現象與抗飽和方案防止積分飽和的措施 輸入受限：對控制器的輸出和被控對象的輸入幅值進行限制 反饋補償 采用可實現參考值

23、 條件積分過程控制系統控制目標被控對象，被控變量，操縱變量，控制器方案設計控制器參數整定和性能指標評估過程控制流程圖過程控制流程圖1.4 控制器參數整定與系統性能評估控制器參數整定與系統性能評估控制器參數整定的基本要求 前提條件: 設計方案合理, 儀表選擇得當, 安裝正確 實質: 通過選擇控制器參數, 實現最佳的控制效果 控制質量的決定因素:被控對象的動態特性評定整定效果的指標衰減率超調量調節時間ts上升時間tr1.4 控制器參數整定與系統性能評估控制器參數整定與系統性能評估常用的整定方法 理論理論計算整定法 時域法、頻率特性法、根軌跡法等 工程工程整定法 動態特性參數法：Ziegler-Ni

24、chols，Cohen-Coon，帶誤差積分指標的整定公式（IAE，IE，ISE，ITAE） 經驗湊試法 穩定邊界法（臨界比例度法） 衰減曲線法勞斯表1.4 控制器參數整定與系統性能評估控制器參數整定與系統性能評估例1.4 設系統的開環傳遞函數為 ，系統穩定時Kc的取值范圍328sGopKcGopreuy特征方程：088126082233ccKsssKs08806)88(112688612101112131cccKsKsKss穩定的條件：81088126088cccKKK理論計算整定法例1.5 給定如下位置跟蹤控制系統結構圖，其中 請確定控制器的參數使得系統滿足如下設計指標：（1）階躍輸入下位

25、置跟蹤穩態誤差小于10%；（2）在考慮純延遲情況下，相位裕度大于50；（3）階躍輸入時超調量小于10%。sT78. 041.4 控制器參數整定與系統性能評估控制器參數整定與系統性能評估理論計算整定法-頻域分析法頻域分析法2) 1()()()(,)(sKsGsGcsLKsGc采用比例控制，不考慮純延遲時系統開環傳遞函數為：設計思路：設計思路：首先采用最簡單的比例控制，看能否滿足設計指標？首先采用最簡單的比例控制，看能否滿足設計指標？如果不能，采用如果不能，采用PI控制，再確定控制器參數。控制，再確定控制器參數。1.4 控制器參數整定與系統性能評估控制器參數整定與系統性能評估階躍輸入R(s)=a/

26、s 時，系統穩態誤差：KaKaeKsGsGcKpsssp11,)()(lim0根據指標（1），確定K的取值范圍：9101KaKaess由圖可知：在滿足穩態誤差要求，且未考慮純延遲情況下，系統相位裕度約為39。不能滿足指標（2）的要求。如果考慮純延遲，系統幅頻特性不會變化，但相位會進一步滯后，相位裕度會進一步減小。取K=9，繪制系統Bode圖。1.4 控制器參數整定與系統性能評估控制器參數整定與系統性能評估繪制K=9，純延遲取不同值時系統Nyquist圖。由圖可見：純延遲達到0.24時系統臨界穩定，達到0.78時，系統不穩定。為了確保具有純延遲時系統穩定，必須減小K。但減小K值將不能滿足穩態誤差

27、要求。結論：結論：本系統采用比例控制難以滿足設計指標要求。本系統采用比例控制難以滿足設計指標要求。sTesKsGsGcsL2) 1()()()(1.4 控制器參數整定與系統性能評估控制器參數整定與系統性能評估sKsKsKKsGcIpIp)(sTIpesKsKsKsGsGcsL2) 1()()()(考慮采用PI控制器系統開環傳遞函數控制器加入積分，系統開環變為I型，自然滿足指標（1）的要求。目前只需考慮滿足指標（2）和（3）。對于指標（3）：P.O. 10%，由超調量計算式得0.59。PI控制器為開環系統增加了一個零點 z=-KI/KP ，此零點對閉環系統穩定性影響不大，將影響動態性能。根據阻尼

28、與相位裕度近似公式0.01，選擇系統相位裕度為60可滿足指標（2）和（3）。PI控制器的Bode圖-20-10010203040Magnitude (dB)10-310-210-1100101-90-450Phase (deg)Bode DiagramFrequency (rad/sec)PIKK1.4 控制器參數整定與系統性能評估控制器參數整定與系統性能評估42) 1(9)(sessG再次繪制 Bode圖 由圖可知，使此系統相位裕度達到60的頻率為0.87rad/s。幅頻特性需要垂直降低14.5dB。所以，控制器sKKsKsGcPIP)(188. 010205 .14PK為了使控制器的相移不對系統相位裕度產生大的影響，其轉折頻率：0164. 01 . 0PcIKK87. 010cPIKKsssGc0164. 0188. 0)(0.87-1201.4 控制器參數整定與系統性能