（控制理论与控制工程专业论文）基于内模控制的pid控制系统的研究与应用.pdf

北京化工大学硕士学位论文 基于内模控制的p i d 控制系统的研究与应用 摘要 随着控制技术研究和应用的开发，各大公司相继开发了一些先进控制 软件包，这些技术往往以d c s 或常规仪表的常规控制( 即p i d 控制) 为 基础，而且成功的例子都是以保证9 0 以上的p i d 回路正常运行为先决 条件的。这些充分说明了p i d 仍旧是当前控制领域中应用最多最基础的 算法。因此，p i d 参数整定就显得相当重要，同时也是先进控制和优化控 制的基础。 基于内模控制的p i d 控制器( i m c p i d ) 不但保持了传统p i d 控制的特 点，还具有内模控制的所有优点，而且它的p i d 形式易于为广大工程技 术人员接受和理解，并易于采用现代控制硬件( d c s ) 来实现和改造现有控 制系统。 在北京化工大学自动化研究所自行开发的i m c p i d 软件包的基础上， 本课题在理论和算法上作了部分改进。 对纯滞后对象设计内模控制器时需要对纯滞后环节近似，论文针对不 同对象比较了四种近似方法，并通过仿真，与系统理论输出值作比较，以 得到精确度最高的近似方法，保证内模控制器的精确度。提出一种在计算 闭环系统传递函数输出时对纯滞后环节计算的改进方法，使得系统输出值 精度提高了一个数量级。并且，文中还提出了其它一些避免时滞环节近似 的方法。 北京化工大学硕士学位论文 由于差分方程数学模型可以直接在数字计算机上进行迭代运算，避免 了计算复杂的龙格一库塔法，大大减少了仿真运算过程中的计算量。为了 对连续系统离散化，论文阐述了数值积分法离散连续系统，通过仿真比较 各种常用数值积分法；并阐述了离散相似法离散连续系统，比较不同的采 样保持器，总结采样周期选取规律，提出对保持器延迟的不同方式的补偿 环节。 以国内石化装雹为对象，将i m c p i d 软件包应用到实际d c s 上，取 得了良好效果：在应用过程中，自主总结出现场p i d 参数整定规律及软 件包应用的一些现场经验，对优化控制器，优化控制系统有重要意义。 关键词：i m c - p i d 控制器，纯滞后，离散系统，采样周期 北京化工大学硕士学位论文 t h ea p p l i c a t i o na n ds t u d yo fp i dc o n t r o l l i n g s y s t e mb a s e do ni n t e r n a lm o d e lc o n t r o l a b s t r a c t w i t h 也er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e mo fc o n t r o l l i n gt h e o r y ，ag r e a tn u m b e r o fe n t i t i e sh a v e ，o nt l l eb a s i so fi n l p l i c a t i o no fd c so rs o m er e g u l a rc o r l 仃0 1 ( t h a ti sp i dc o n t r o l l e r ) ，c o n t i r l u o u s l yd e v e l o p e ds o m ea d v a l l c e dp r o c e s sc o n t r o l s o r w a r e ，9 0 o fw h i c ha r ei nt l l er e q u i s i t i o no fc o m m o ni m p l e m e m a t i o no f p i dl o o p s t h o s ea r ep o w e r 血lp r o o ft h a tp i da l g o r i m mi ss t i nt h em o s tb a s i s a n dm o s tb e i n gu s e do n e t h e r e f o r e ，t u l l i n go fp i dc o n 廿0 1 1 e rp a r 锄e t e r si s v e ui m p o r t a m ，a n di ti sa l s ot h eb a s ef o ra d v a i l c e dc 咖la n d 叩t i m i z e d c o n t r d l p i dc o n t r 0 1 l e rw h i c hi so nt h eb a s i so fi m e m a lm o d e lc o n 仃o l ，n o to n l y k e 印st 1 1 ec h a n k t e r i s t i c so fo r i g i n a lp i dc o n t r o l l e r ，b u ta l s o1 1 a sa 1 1 廿l e a d v a r l t a g e so fi n t e m a lm o d e lc o n n 0 1 w i t l lp i df b m a t ，i tc a nb ee a s i l y a d o p t e da i l du n d e r s t o o db ya ut i l et e c l l i l i c i a n s ，b ei m p l e m e n t e db yd c s ，t h e m o d e m c o n t m l l i i 培h a r d w a r e ，a n db eu s e dt or e c o n s t m c tc o n t r o l l i n gs y s t e mi n e x i s t e n c e ( ) n t h eb a s i so fi m c p i ds o 脚a r e p a c k a g ed e v e l 叩e db yb u c t 北京化工大学硕士学位论文 a u t o m a t i ci n s t i t u t i o ni t s e l f ，w em a k es o m ei m p r o v e m e n t so nb o t hm e o 可a n d a l g o r i m m w h i l ed e s i g n i n gi m cc o n t r o l l e rf o rm ep r o c e s s e dw i t ht i m ed e l a y t l l e l i n ko ft i m ed e l a ys h o u l db ea p p r o x i m a t e d w 色c o n t r a s tf b u ra p p m x i m a t i o n m e t h o d sw i t l t l e o r e t i cv a l u e o fm ep r o c e s sv i ae m u l a t i o nt oe n s u r et h e e x a c t n e s so fi m cc o m r o l l e r w ea l s od i s c u s san e wm e t h o do nt h ec a l c u l a t i o n o ft 1 1 et i m ed e l a yl i n ks o a st ol maq u a n t i t a t i v el e v e lo fm es y s t e mo u t p u t v a l u e b e s i d e s ，s o m eo t l l e rm e 吐l o d st oa v o i dm ed e l a yl i n ki sc l a i m e d f o rd i 娲r e n c es y s t e mc a nb ei t e r a t i v l yc a l c u l a t e do nd i g i t a lc o m p u t e r ， w h i c ha v o i d sc o m p l e xr u n g e k u n t am e t h o d ，a n dd e c r e a s e se m u l a t i o n c a l c u l a t i o n t bc o n v e r tc o n t i n u o u ss y s t e mi n t od i s c r e t cs y s t e m ，n u m e r i c a l i n t e g r a l m e t h o di s p r e s e n t a i l dc o n t r a s t e di nm ea 印e c t so fp r e c i s i o n ， c a l c u l a t i o ns p e e da 1 1 ds t a b i l i 够；d i s c r e t em e m o di sa l s op r e s e n t e do n 也eb a s i s o fc h o o s i n gd i f f 色r e n t 删n a b l ee q u i p m e n ta n ds a m p l et i m e ，a sw e l la s d i f f 宅r e n tc o m p e n s a t i o nl i n kf o rt l l el a gb e c a u s eo fr e t a i n a b l ee q u i p m e n t i m c - p i ds o r w a r ep a c k a g ei sa p p l i e do nt h e6 e l dd c si nd o m e s t i c c h e m i c a l e q u i p m e n t a n da c h i e v e d g o o da c c o m p l i s h m e n t d u r i n g t l l e 印p l i c a t i o np r o c e s s ，p i dp 钺u n e t e r st u n i n gd i s c i p l i n a t i o na n ds o m ef i e l d e x p e r i e n c e s o nm es o 蛔a r e印p l i c a t i o na r ep r e s e n t e d ，w h i c ha r e v e r y i m p o r t a l l tf o ro p t i m i z i n gc o n t r o l l e ra n dc o n t r o l l i n gs y s t e m k e yw o r d s ： i m c - p i dc o n t r o l l e r t i m ed e l a y ，d i s c r e t es y s t e m ，s a n l p l et i m e 北京化工大学位论文原创性声明 y8 8 1 8 8 8 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 日期：迎i ：i ：2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名 导师签名 日期： 日期： 多一幺厶髟 北京化_ t 大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 系统偏差的比例( p m p m t i o n a l ) 、积分( i n t e g r a l ) 和微分( d 甜v 砒i v c ) 的综合控制，简称 p i d 控制，是一种基于对“过去”、“现在”、“将来”信息估计的简单但有效的控制算 法，是最早发展起来的控制策略之一。由于其算法简单、鲁棒性强和可靠性高等优点， p i d 控制策略被广泛应用于工业过程控制中。 在工业生产的过程控制上，从4 0 年代开始至今，采用p i d 控制规律的单输入单输 出简单反馈控制回路是过程控制的核心系统。即便是在大量采用d c s 控制的撮现代化 的装置中，p i d 控制回路仍占总回路数的8 0 9 0 。在工业自动化系统的基础自动化 控制级，被广泛应用的仍旧是以p i d ( p r o p o n i o m lp l u si n t e 掣a lp l u sd e r i v a t i v ec 0 n t r 0 1 ， 比例积分微分控制) 调节为代表的经典控制理论，采用频域分析方法进行控制系统的 分析设计和综合。 经典控制理论的应用有两个前提条件，个是受控变量具有独立性，各个变量之 间没有耦台或者耦合比较弱，可以作为干扰来处理；另一个是受控变量与控制作用之 间具有线性关系。至少能够在一定范围内作线性化近似。对于大量的单体设备，它们 的确符合上述两个前提条件，因此，这也是经典控制理论广泛应用的基础。但是，对 于多变量、非线性和对于复杂过程的控制，要想获得满意的控制效果，就不得不选择 先进控制或者智能控制的理论和方法。 p i d 控制的广泛应用同时促进了这一领域的理论研究，使得p i d 控制成为一种不断 发展中的控制技术。虽然控制策略的本质没有改变，但是现在的p 1 d 控制器在许多方 而己与早期的p i d 控制有了很大的不同。例如：在广泛使用的d c s 、p l c 和f c s 等计算 机控制系统中，p i d 控制器采用的是数字算式；在p i d 控制算法中，通过增加抗积分饱 和、白整定和自适应等功能来提高控制系统的性能；通过引入s i i l i t h 预估补偿器解决了 p i d 控制应用于大时滞过程的问题。随着先进控制技术的发展，人们又把p i d 控制策略 和先进控制策略结合起来，形成了很多改进的p i d 控制器，比如把p i d 控制与模糊控制 结合起来，形成模糊p d 控制器；又如将神经网络和p 1 d 控制结合起来，利用神经网络 来在线整定p i d 控制器的参数，形成基于神经网络的p i d 控制器等。正是由于人们不断 地对p i d 控制进行改进，才赋予了它更强的生命力，使之成为影响力最广的常规控制 算法。由此可见，p i d 控制还将得到了进一步的发展，具有广阔的应用前景”1 。 内模控制”1 ( 1 1 】t e l l l a lm o d e lc o n 昀1 ) 在8 0 年代就已经提出，应当说其理论已经基 本成熟，但在大时滞、非线性的控制，与智能控制、自适应控制的结合等方面，仍有 本成熟，但在大时滞、非线性的控制，与智能控制、自适应控制的结合等方面，仍有 北京化工大学硕士学位论文 很多工作要做。在8 0 年代，由于缺乏必要的硬件条件，内模控制理论一直得不到很 好的实现。目前，随着科学技术的发展，特别是计算机的发展，为i m c 在现场的应 用提供了很好的条件，但很多理论研究成果与实际应用尚有距离。 g a r c i a 和m o r a r i 提出的内模控制理论，是在控制系统中引入了内部模型，使系 统的反馈量由常见的输出全反馈变为扰动估计量的反馈，而且控制器的设计也变得容 易。当存在建模误差或干扰时，滤波器发挥作用，抑制干扰或模型失配而引起的实际 输出与模型输出之差。这样，系统的设定值响应和干扰响应被分离开来，使系统既有 较好的设定值响应性能，又有较好的抗干扰性能和鲁棒性能。近年来，在许多研究者 的努力下，i m c 已被推广应用于多变量系统和非线性系统。1 ，使i m c 理论得到进一步 发展。 基于内模控制的p i d 控制器( i m c p i d ) 旧不但保持了传统p i d 控制的特点，还具 有内模控制的所有优点，而且它的p i d 形式易于为广大工程技术人员接受和理解，并 易于采用现代控制硬件( d c s ) 来实现和现有控制系统的改造。 北京化工大学自动化研究所自行开发了基于连续系统的i m c p i d 软件设计包，已 经在石化行业获得成功应用。 1 2 课题的来源与背景 1 2 1 先进控制技术简介 随着经济改革的不断深化，石化行业挖潜增效，向先进的管理要效益、向先进的 科学技术要效益，成为石化行业的必然选择。特别是入世后，这种需要就更加迫切。 在此前提下，积极开发和应用先进控制技术，来提高企业经济效益，进而增强自身的 竞争力是石化行业迎接挑战的重要对策。 在工业生产过程中，仍有1 0 2 0 的控制问题采用p i d 控制策略无法奏效，所 涉及的被控过程具有强耦合性、非线性和大纯滞后等特征，并存在着苛刻的约束条件， 更重要的是它们大多数是生产过程的核心部分，直接关系到产品的质量、产品收率、 原材料消耗和能耗等经济指标。随着过程工业日益走向大型化、连续化，对过程控制 的品质提出了更高的要求，控制与经济效益的矛盾日趋尖锐，迫切需要一类合适的先 进控制策略。 现代控制理论和人工智能几十年来的发展为先进控制技术奠定了应用理论基础， 而控制计算机尤其是集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o l l t m ls y s t e m ，简称d c s ) 在工业生产 上的普及，则为先进控制”1 ”的应用提供了有效的硬件和软件平台。 北京化工人学硕士学位论文 先进控制的内涵丰富，同时带有较强的时代特征。因此，至今理论界对先进控制 还没有严格的、统一的定义。尽管如此，其任务是明确的，就是用来处理那些采用常 规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制的问题。通过实施先进控制，可 以改善过程动态控制的性能、减少过程变量的波动幅度，使之能更接近其优化目标值， 从而将生产装置推向更接近其约束边界条件下运行，最终达到增强装置运行的稳定性 和安全性、保证产品质量的均匀性、提高目标产品收率、增加装置处理量、降低运行 成本、减少环境污染等目的。 先进控制的核心内容和工程化方法：作为一个整体，先进控制应包括从数据采集 处理、数学模型建立、先进控制策略和工程实施的全部内容。 先进控制的主要特点有： ( 1 ) 先进控制通常指的是基于模型的控制策略，比如，模型预测控制，鲁棒 内模控制，等等。现在，专家控制、神经网络控制与模糊控制等智能控 制技术也正在成为先进控制的一个重要的发展方向。 ( 2 ) 先进控制通常用在处理复杂的多变量生产过程的问题上，比如，大时滞、 多变量耦台、被控变量与对象之间存在各种约束等等。先进控制是建立 在常规的单回路控制上的动态协调约束控制，可以使过程控制系统适应 实际工业过程的动态特性和操作要求。 ( 3 ) 实现先进控制需要足够的计算能力作为支持。在控制算法复杂性和计算 机硬件因素的影响下，早期的先进控制算法一般都在计算机控制系统的 上位机上实现。随着d c s 系统功能的不断增强，先进控制策略可以和基 本控制策略可以同时在d c s 上实现。基本控制策略是不可忽略的，因为 它可以有效的增强先进控制的可靠性，可操作性与可维护性。 随着国内的众多过程工业企业与国际间的竞争越来越激烈，积极开发和应用先进 控制和实时优化以提高企业经济效益，进而增强自身的竞争力是过程工业的重要对 策。现代控制理论和人工智能几十年来的发展已为先进控制奠定了应用理论基础，而 控制计算机尤其是集散控制系统( d c s ) 的普及与提高则为先进控制的应用提供了强有 力的硬件和软件平台。总而言之，企业的需要、控制理论和计算机技术的发展是先进 控制( a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 发展强有力的推动力。 为了更好地理解和认识先进控制在艇个控制域中的地位，可以引用著名过程控制 专家d e s e b o 唱给出的有关过程控制策略分类的详情： 第一类：传统控制策略，包括：手动控制、p i d 控制、比值控制、串级控制、前 馈控制； 第二类：先进控制经典技术，包括：增益调整、时滞补偿、解耦控制； 第三类：先进控制流行技术，包括：内模控制、模型预测控制、自适应控制、 统计质量控制； 北京化工大学硕士学位论文 第四类：先进控制潜在技术，包括：最优控制、非线性控制、专家控制、神 经控制、模糊控制； 第五类：先进控制研究中的策略，包括：鲁棒控制、h 0 0 控制、综合。 以石化行业为例，一个先进控制项目的年经济效益在百万元以上，投资回收期一 般在一年以内，丰厚的回报是先进控制引人瞩目之处。常规p 1 d 控制系统，已经不能 满足当前工业生产过程的需要，对于常减压、催化裂化装置这样的大型石油化工生产 过程，工艺机理复杂、变量间关联严重，尤其以常减压装簧为例，它要涉及到初馏塔 底液位、常压塔底液位、减压塔底液位、常三线粘度、闪点、减三线粘度、闪点等多 个变量，常规控制系统很难维持平稳运行，更无法达到卡边操作，使得产品收率下降， 装置处理能力得不到充分利用，原材料和能源消耗增加，导致经济效益下降。因此这 些大型的生产过程越来越需要引入先进控制技术来提高生产力。实施先进控制，可以 改善过程动态控制的性能，减少过程变量的波动幅度，使之更接近其优化目标值，从 而使得生产装置处在更接近其约束边界条件下运行，最终达到增强装置运行的稳定性 和安全性、保证产品质量的均匀性、提高目标产品收率、增加装置处理量、降低运行 成本、减少环境污染等目的。 世界各大石化企业都把提高生产过程控制作为少投入多产出、快速挖潜增效、提 高竞争能力的重要途径。提高生产过程控制水平己对石化企业降低成本、提高产品质 量、开发新品种起到很大的推动作用，在企业技术进步中占的比重越来越大。在生产 装置普遍应用d c s 的基础上逐步实施先进控制和优化、产品调合、安全生产管理等 技术，进而实现全厂生产计划和调度优化的功能。美国石化企业中9 0 以上主要炼油 装置都已经推广应用了成熟的先进控制及优化技术。实践证明，这些技术可以稳定操 作、优化生产条件、扩大处理量、提高产品质量、节能降耗，为企业创造了巨大的经 济效益。如国外权威经济分析机构推荐的典型数据为：催化裂化装置每吨原料可创效 益l 美元、乙烯装置每吨产品可创效益6 5 美元。 1 2 2 先进控制技术的历史、发展与现状 在过程工业界，从2 0 世纪4 0 年代开始，采用p i d 控制策略的单输入单输出简单 反馈控制回路已成为过程控制的核心系统。其理论基础是经典控制理论，主要采用频 域分析方法进行控制系统的分析设计和综合。目前，p i d 控制器仍广泛应用，即便是 在大量采用d c s 控制的最现代化的装置中，这类回路仍占总回路数的8 0 9 0 。 这是因为p i d 控制算法是对人的简单而有效操作方式的总结与模仿，足以维护一般工 业过程的平稳操作与运行，而且这类算法简单且应用历史悠久，工业界比较熟悉且容 易接受。然而，简单p i d 控制并不能适用于所有的过程和不同的要求。 北京化工大学硕士学位论文 自2 0 世纪5 0 年代末发展起来的以状态空间方法为主体的现代控制理论，为过程 控制带来了状态反馈、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工具。然而，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，现代控制理论所需的数学基础也在一定程度 上限制了它被过程控制界所熟悉和了解。 从2 0 世纪5 0 年代开始，逐渐发展了串级、比值、前馈、均匀和s m i m 预估控制 等复杂控制系统( 即当时的先进控制系统) ，在很大程度上满足了单变量控制系统的 一些特殊的控制要求。虽然它们从理论上看仍然是经典控制理论的产物，但是在结构 和应用上各有特色，目前仍在继续不断地改进和应用。 1 9 8 0 年前后，来自过程控制界两位探索者j 础c h a l e t 和c r c u t l e r 分别报道了其 各自研究的有关解决实时动态环境下带约束多变量耦合系统控制问题的成果，这就是 著名的模型预测启发式控制( m p h c ) 和动态矩阵控制( d m c ) 。这一事实表明过程 工业已开始接受现代控制概念，从而引发了预测控制等先进控制策略在工业过程控制 中的大量应用。整个8 0 年代，出现了许多约束模型预测控制的工程化软件包。通过 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研究等一系 列工作，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应用最成功，也 最具有前途的先进控制策略。 2 0 世纪9 0 年代以来，人工智能技术有了长足的进步并在许多科学与工程领域中 取得了较广泛的应用。就过程控制而言，专家系统、神经网络、模糊系统是最具有潜 力的三种工具。专家系统可望在过程故障诊断、监督控制、检测仪表和控制回路有效 性检验中获得成功应用。神经网络则可为复杂非线性过程的建模提供有效的方法，进 而用于过程软测量和控制系统的设计上。模糊系统不仅是行之有效的模糊控制理论基 础，而且有望成为表达确定性经验和不确定性经验并提炼这些经验成为知识进而改善 已有的控制，也将是先进控制的重要内容。由于许多重要的工业过程都表现出内在的 非线性，如：p h 值的控制过程，使得那些基于线性模型的控制策略和传统的p i d 控 制很难奏效。早期的解决办法是变增益控制或针对特定过程来设计控制系统。近来， 有关基于非线性模型0 8 1 ( 机理和经验) 的控制有了较大的发展。但是，非线性控制尚 属开发中的先进控制策略，实际的工业应用尚不多见。 对于非常复杂的生产过程，p i d 算法因其本身的非线性、耦合和时滞以及其它干 扰的影响，已不能保证较好的控制性能。在这种生产实际的要求下，特别是现代控制 理论的日臻成熟和计算机技术的飞速发展，形成了把生产工艺、计算机、仪表以及过 程控制理论有机结合在一起的新型的先进控制方法，这些方法包括：自适应控制、预测 控制、鲁棒控制、解耦控制、神经网络控制等。其中多变量预测控制( m p c ) 以其良好 的控制性能，较好的鲁棒性，较强的克服纯滞后影响能力，在生产过程中取得了成功 的应用”1 “。 北京化工大学硕士学位论文 随着m p c 技术在实践中的应用与发展，涌现了各种具有m p c 思想的先进控制技 术，如：模型算法控制( m a c ) ，动态矩阵控制( d m c ) 及广义预测控制( g p c ) ，并且推出了 批商品化的软件产品，例如：d m c ，s i m c ，r m p c t 等。实践证明，这类算法不仅能 使生产过程安全可靠的运行，而且能使装置处于最佳运行工况，从而获得显著的经济 效益3 。 1 2 3 先进控制软件的产业化 先进控制和优化技术软件国产化、工程化是我国石化企业提高过程控制水平的迫 切需要。在生产装置上实施先进控制和优化技术，一般划分为两部分内容。一是要有 通用、成熟的软件工具，如多变量预估控制器、工艺计算包、动态或静态模型、优化 器等；二是要针对每个生产装置进行工程开发应用工作，针对生产运行中的“瓶颈” 确定要实现的功能，通过有关辨识方法建立模型，运用已有的软件工具构成可运行的 系统，最后通过现场调试实现设计目标。1 。 实现软件国产化、项目实施的工程化不仅可以大大降低成本，而且可以充分发挥 企业生产管理和技术人员的主观能动性，更加有的放矢地应用先进技术，在以此项技 术为核心的系统工程实施过程中，提高和完善已有的生产现场管理水平。 由于先进控制技术难度和实施的复杂，目前这项技术主要掌握在为数不多的公司 手中。1 9 9 6 年之前，著名的先进控制软件包主要有美国s e t p o i n t 公司的s m c a ( s e t p o i n t m u l t i v 撕a b l ec o n n d la r c h j t e c t u r e ) 和d y i l a m i cm a t r i xc o n t r o l 公司的d m c 。d m c 公 司成立于1 9 7 7 年，曾承担过大量石油化工装置的先进控制项目的设计工作，其特点 是工程经验丰富，工程业绩遍及全世界，它是最早进入中国的过程控制公司，在中国 已有多套由s e t p o i n t 公司设计的先进控制在运行。d y n 锄i cm a t r i xc o n t r o l 公司是由先 进控制理论的创始人之一，c h a r l i ec u l t e r 本人于1 9 8 4 年创办的，该公司长期从事动 态矩阵控制软件的研究和应用，其软件的高品质和先进控制的高性能吸引了大量的客 户，至1 9 9 4 年为止，已实施了5 0 0 多个先进控制项目。上述两家公司均于1 9 9 6 年初 被美国a s p e nt e c h 公司收购。现a s p e nt e c h 公司推出的先进控制包融合了s m c a 和 d m c 两者的优点，其商品名为d m ep l u s 。可以说，当前a s p e n t e c h 公司已成为力量 最强大的先进控制供应商。据统计，至1 9 9 7 年底，全世界共实旋先进控制项目1 5 0 0 套，其中a s p e nt e c h 公司所完成的项目1 0 5 0 套，占7 0 。全世界最大的5 套催化裂 化装置( 处理量6 0 0 7 0 0 万讹) ，全部采用a s p e nt e c h 公司的d m c 技术。1 9 9 8 年 a s p e nt c c h 公司又兼并了加拿大的著名过程控制公司t r e i b e rc o 曲o l ，进一步控制了 北美的先进控制业务。 美国h o n e y w e u 公司原是著名的d c s 系统供应商，近年来也在向着先进控制和实 北京化工大学硕士学位论文 时优化的方向发展，它兼并了美国的过程控制公司p r o f i m 撕c s 后，在先进控制的业务 上有较大的发展。近年来它致力于推进在中国市场的业务，实施了较多的先进控制项 目。h o n e y w e l l h i s p e cs 0 1 u t i o n s 部门专门从事先进控制和优化业务，它推出了工厂一 体化解决方案( t o t a lp l a i l ts o l u t i o n ，t p s ) ，是由先进控制包t p sp r o n t 和实时优化包 t p sp r o f i tm 积两部分所组成。 先进控制的成功实旌，必须是多专业、跨学科的紧密合作，同时要求具备丰富的 工程能力和经验。要由工艺专家和自控专家共同合作来完成工程项目。国外的实践为 我们提供了很好的借鉴，如原s e t p o i n t 公司虽为过程控制公司，但公司技术人员中具 有化工背景的职工所占比例高达7 0 。 先进控制( 包括优化) 的应用能带来极大的经济效益。根据d m c 公司的资料介 绍，用d c s 实现常规p i d 控制，其投资占总投资的7 0 ，取得的经济效益约占总效 益的1 5 ；在常规p i d 控制的基础上，实现比值、串级和前馈等传统先进控制，投资 额1 0 ，效益也提高1 0 ：再增加1 0 的投资实现先进控制，便可取得约3 5 的效果； 在实现先进控制的基础上，增加实时优化，成本增加约l o ，可进一步获得4 0 的效 益。可见，实施先进控制与优化的产出投入比是极高的。 自2 0 世纪8 0 年代以来，在国外，以多变量模型预测控制与优化为主要特征的先 进控制技术在石油、化工、钢铁等行业得到了广泛的应用和发展，产生的经济效益非 常显著。 1 3 内模控制的发展 广义上看，内模控制的发展大致分为三个阶段“”“2 2 ： 第一阶段，五十年代末到1 9 8 2 年期间是内模控制的萌芽阶段。这个时期内模控 制的概念还没正式提出，但是经典反馈控制结构( 如p i d 算法，d a l l l i n 算法等等) 和 s m i u l 控制结构都有比较大的发展，动态矩阵控制和模型算法控制等启发式预测控制 算法已经被提出。它们都为内模控制的出现做了良好的铺垫。 第二阶段，1 9 8 2 年到1 9 8 9 常规内模控制结构迅速发展的阶段。其出现的标志是 美国学者c e g a r c i a 和m m o r a r i 发表的文献。在他所提出的控制框架下，各种针对 内模控制的研究迅速开展起来。1 9 8 9 年，m - m o f a r i 和e z a f i r i o u s 出版的著作“r d b u s t p r o c e s s c o m m l ”，比较完整地分析了内模控制，是常规意义下的内模控制方法日趋成 熟。 第三阶段，1 9 9 0 年至今，智能内模控制、多变量约束内模控制、非线性控制等算 法开始了广泛研究。九十年代随着神经网络、模糊逻辑推理和非线性控制理论的发展， 北京化工大学硕士学位论文 对内模控制的研究引入了更多崭新的思想，开阔了内模控制研究的新思路。这个阶段 的发展现在还在持续，内模控制如何进步有效的应用在实际的工业生产过程中，如 何进一步实用化和工程化，都还有待探索和研究。 内模控制的提出主要针对两个问题：第一，如何提高s m i t h 预估控制的鲁棒性；第 二，如何从理论上分析预测算法控制m a c 和d m c ”。s m i t h 预估控制解决了纯滞后的 补偿问题，但要求对象的模型精确，因此在实际使用中鲁棒性较差。内模控制借鉴了 s m i t h 预估控制克服纯滞后的优点，并通过对控制器的重新设计，增加滤波环节，大 大提高了系统的鲁棒性。m a c 和d m c 由于是一套算法，虽然物理意义明确，但理论 分析比较困难。m a c 和d m c 本质上都是r m c 结构，其特殊之处在于其给定输入采用 了未来的超前值( 预测控制系统) 。因此，通过将m a c 和d m c 等效为i m c ，就为其进一 步的分析和改进提供了有力工具。 在2 0 多年的时间里，内模控制不论是在控制器本身的设计上，还是在与其它控制 方法的结合上，或者是在向非线性、多交量系统的扩展上，都取得了长足的进步，为 其广泛应用打下了基础。以下从三个方面简述内模控制的发展： 第一，控制器的设计和改进内模控制器的设计方法包括相消法嘲、预测控制法“、 有限拍法“”等，其中相消法用得最为普遍。相消法中，控制器消去模型中最小相位部 分后再增加一个一阶或高阶滤波环节来调整系统的各项性能。根据系统误差在线修正 控制器参数“，同时根据系统误差和模型误差在线修正控制器参数1 ，两种方法都使 系统性能明显改善。 若在反馈通道增加一个一阶滤波器，即成为2 一自由度内模控制，可以实现系统响 应的跟踪性能和鲁棒及抗扰性的分别调节。给反馈滤波器增加一个变增益环节，根据 模型误差在线模糊修正反馈滤波器的滤波时间常数，并且，根据模型误差和系统误差 在线智能调整增益。将上述调整方法整合，根据系统误差和模型误差同时智能调整滤 波时间常数和增益o 。 第二，内模控制与其它控制方法的结合，内模控制是基于模型，因此模型的精确 程度是影响系统性能的关键。将自适应控制和内模控制结合，在线辨识对象，并相应 地修正模型和控制器，可以获得很好的控制效果。分析将自适应控制应用于内模控制 的可行性，将自适应滤波最小均方差算法( l m s ) 应用于内模控制，提高了内模控制对付 慢时变系统的能力，进一步提出具有h z 优化的自适应内模控制，并建立了系统稳定性 和鲁棒性与建模误差的关系哪矧。 另外，工业过程中很多对象具有非线性特性，将内模控制扩展到非线性系统，为 非线性控制提供了一条有效的途径。但是，一般说来，非线性对象的模型和逆模型的 结构化形式难以获得，因此，通常需要用到如模糊模型和神经网络模型等一类的非结 构化形式模型“”。s g g a o 1 等人用一组模糊规则来描述非线性对象的动态模型，每 一条模糊规则代表一个局部线性系统，可以用一个有理传递函数来表示，并证明了一 北京化工大学硕士学位论文 个开环稳定的非线性系统可以由有限数量的模糊规则来近似。w e np e n gx i e 。”等人进 一步提出了模糊自适应内模控制，在线修正每一个局部有理传递函数的参数。k j h u m o “证明了在某种约束条件下非线性对象的神经网络模型的逆的存在性。 e p h a l l a s 。”等人进一步给定了非线性对象的神经网络模型的逆的稳定条件，并用于内 模控制，取得了较好的控制效果。 第三，内模控制在其它控制方法中的应用前面己指出，预测控制本质上都可以等 效为i m c 结构，因此，可以用i m c 的方法来分析预测控制的跟踪性能和鲁棒性能”， 并相应的提出改进方案，进一步将内模控制用于统一预测控制的分析，吴玮琦等人。” 利用内模控制结构分析了广义预测控制在未建模动态鲁棒性方面的缺陷，提出采用失 配滤波器以增强系统的鲁棒性。 p i d 控制由于使用上的方便，仍然是过程控制的主流，所需要做的是如何改进p i d 控制器的参数整定方法，以提高系统性能。将内模控制用于针对一阶惯性系统的p i d 控制器参数蹩定，只有一个可调参数，且与系统的响应速度和鲁棒性有关。”。基于一 阶惯性加纯滞后对象的内模p i d 控制器设计方法，龚晓峰0 6 3 将纯时滞用二阶非对称 p a d e 近似，得出了一个直接可实现的内模p i d 控制器。岳红”1 等将内模原理和极小极 大优化原则相结合，提出了一种新的鲁棒p 1 d 控制器的设计方法。 内模控制经过2 0 多年的发展，理论框架已基本形成，与其它先进控制方法的结合 也取得了相当的成就。但是，目前所取的很多成果在实际中应用还显得比较复杂， 另外，i m c 用于不稳定、高度非线性等对象的控制，以及向多变量系统的扩展还需做 深入研究。 1 4 本课题的主要研究内容及方法 1 ) 查阅有关的文献资料，掌握内模控制的理论、特点和算法，了解目前化工生 产领域中的内模控制技术的应用概况； 2 ) 针对设计内模控制器时需要对对象的纯滞后环节近似，研究如何处理纯滞后环 节近似； 3 ) 研究如何离散化连续系统，以简化系统传递函数输出值的计算： 4 ) 将i m c p i d 软件包应用到现场d c s 上，总结现场参数整定规律和经验。 1 5 小结 内模控制，是8 0 年代由g a r c i a 和m o r a r i 在史密斯预估控制的基础上发展起来的， 主要是为了对当时提出的两种预测控制算法m a c 和d m c 进行系统分析。作为s i i l i t 1 预估器的一种扩展，i m c 使设计更为简便，大大改善了鲁棒性及抗扰性。1 1 。 北京化工大学硕士学位论文 内模控制理论已经基本成熟，但在大时滞、非线性的控制，与智能控制、自适应 控制的结合等方面，仍有很多工作要做。在8 0 年代，由于缺乏必要的硬件条件，内 模控制理论一直得不到很好的实现。目前，随着科学技术的发展，特别是计算机的发 展，为i m c 在现场的应用提供了很好的条件，但很多理论研究成果与实际应用尚有 距离。内模控制如何进一步有效的应用在实际的工业生产过程中，如何进一步实用化 和工程化，都还有待探索和研究。 基于内模控制的p i d 控制器”。( i m c p i d ) 不但保持了传统p i d 控制的特点，还具 有内模控制的所有优点，结构简单、整定方便，并有利于现代控制硬件实现。n “c p i d 既兼顾了系统鲁棒性，又考虑到了系统控制性能，把内模控制器转化为p i d 参数，可 直接应用于现有装置而无需任何硬件调整，这就为现有控制系统的改造提供了有力的 条件。 使用i m c - p i d 控制策略对我国现有生产控制装置进行先进控制的改造，不失为一 个多快好省的技术捷径。它对于提高我国自动化水平，增加我国企业在世界市场上的 竞争能力具有不可估量的现实意义。 在连续系统i m c p i d 嘲h 蛳方面，北京化工大学自动化研究所自行开发的i m c p i d 软件包已经在现场应用取得很大成功。 本课题就是在理论和算法上做进一步研究与 改进。 北京化工大学硕士学位论文 第二章鲁棒内模控制 生产实际中约9 0 的控制问题都可用简单的p i d 控制器来解决，p i d 控制本身也 具有一定的鲁棒性，但在实际过程控制中还存在两个主要问题：一是控制器适应系统 不确定性的能力不够强；二是在不确定性范围内，系统性能没有得到综合考虑，一致 性差。工业生产对象大多在不同程度上存在纯滞后，使被调量不能及时反映控制信号 的动作，当对象受到干扰而引起被调量改变时，控制器产生的控制作用不能立即对干 扰产生抑制作用。因此，含有纯滞后环节的闭环控制系统必然存在着较大的超调量和 较长的调节时间。对于纯滞后的系统，当对象的纯滞后时间与其惯性时间常数之比大 于0 5 时，采用常规p i d 反馈控制很难取得满意的控制效果。s m i m 预估补偿方法用 来控制含纯滞后控制对象，从理论上解决了纯滞后对象的控制问题，是解决大滞后过 程的最有效途径，但由于其对模型误差十分敏感，对过程动态特性的精确度要求较高， 鲁棒性差，难以取得满意的控制效果，严重时甚至引起系统不稳定，因而限制了它在 工业控制中的广泛应用。 控制系统的鲁棒性是体现系统性能的一个重要指标。它体现了模型与实际过程有 差别的情况下控制品质的变化情况。在经典控制理论中，稳定裕度可反映系统鲁棒性， 当稳定裕度大时，控制系统品质对参数的变化不敏感，即有较好的鲁棒性。现代控制 理论则为鲁棒性的分析提供了更多的方法，尤其是鲁棒控制器单独提出之后，这一领 域的研究一直是控制理论界的研究热点并逐渐成为一个独立分支。事实上，鲁棒控制 的目的就是要设计出所有希望的操作条件下都具有良好性能的控制器，这一点符合过 程控制的需要。与其说鲁棒控制