第3讲 过程控制策略

1、第三讲 过程控制策略从控制策略的角度来看，控制系统可分为反馈控制与前馈控制两大类。反馈控制反馈控制是指将系统的输出信息返送到输入端，与输入信息进行比较，并利用二者的偏差进行控制的过程。反馈控制其实是用过去的情况来指导现在和将来。在控制系统中，如果返回的信息的作用是抵消输入信息，称为负反馈，负反馈可以使系统趋于稳定；若其作用是增强输入信息，则称为正反馈，正反馈可以使信号得到加强。一般的反馈控制系统“反馈控制反馈控制”是信号沿前向通道（或称前向通路）和是信号沿前向通道（或称前向通路）和反馈通道进行闭路传递，从而形成一个反馈通道进行闭路传递，从而形成一个闭合回路的控制方闭合回路的控制方法法。为了和给

2、定信号比较，必须把反馈信号转换成与给定信号具有相同量刚和相同量级的信号。控制器根据反馈信号和给定信号相比较后得到的偏差信号，经运算后输出控制作用去消除偏差，使被控量（系统的输出）等于给定值。蒸汽加热器温度反馈控制方案蒸汽加热器温度反馈控制方案若工艺介质入口温度若工艺介质入口温度TiTi下降，被控变量工艺介质出口温度下降，被控变量工艺介质出口温度T T开始开始下降，温度控制器的测量信号发生变化，控制器发出控制命令去增加下降，温度控制器的测量信号发生变化，控制器发出控制命令去增加蒸汽阀的开度，蒸汽量随之增大。蒸汽阀的开度，蒸汽量随之增大。图图1-11可以看到，反馈控制的优势在于它能够补偿任意的可以

3、看到，反馈控制的优势在于它能够补偿任意的扰动。但是，只有当扰动引起被控变量偏离设定值后，控扰动。但是，只有当扰动引起被控变量偏离设定值后，控制器才能开始实施对扰动的补偿，因此这种控制作用是有制器才能开始实施对扰动的补偿，因此这种控制作用是有滞后的。滞后的。？是否能够设计一种有预知功能的控制器是否能够设计一种有预知功能的控制器前馈控制的设计思想是通过检测扰动，并在扰动影前馈控制的设计思想是通过检测扰动，并在扰动影响被控变量之前就将其补偿掉。响被控变量之前就将其补偿掉。r前馈控制前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。如果与参考值有偏差，那么就提前给出控

4、制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差，是一种开环控制。蒸汽加热器温度前馈控制方案蒸汽加热器温度前馈控制方案系统的扰动主要来自于进料温度系统的扰动主要来自于进料温度TiTi与进料与进料RFRF的变化。系统首先的变化。系统首先检测扰动，决策如何操作蒸汽阀来补偿扰动对被控变量工艺介质出口检测扰动，决策如何操作蒸汽阀来补偿扰动对被控变量工艺介质出口温度的影响。前馈控制器的输出完全取决于扰动信号和被控变量的设温度的影响。前馈控制器的输出完全取决于扰动信号和被控变量的设定值。定值。前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。但在实际工程中，并不是所有的干

5、扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得到精确模型的，而且大多数控制对象在运行的同时自身的结构也在发生变化，所以仅用前馈并不能达到良好的控制品质。前馈反馈控制在前馈控制中加入在前馈控制中加入反馈，反馈的特点是根反馈，反馈的特点是根据偏差来决定控制输入，据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏只要有偏差，就根据偏差进行纠正，可以有效差进行纠正，可以有效的消除稳态误差。解决的消除稳态误差。解决前馈不能控制的不可测前馈不能控制的不可测干扰。干扰。1、定值控制与跟踪控制依据设定值是否频繁变化，反馈控制系统可以分为定值控

6、制和跟踪控制两大类。定值控制系统，设定值变化不频繁，主要扰动来自于外部干扰，调节控制系统设计的目的是要补偿扰动的影响。跟踪控制系统，主要扰动来自于设定值本身的频繁变化，设定值为时间函数。如间歇反应器温度控制系统，反应器温度必须跟踪预先给定的温度变化轨迹，从而确保产品的质量与产率。 定值控制 跟踪控制2、连续时间控制与离散时间控制依据控制器是否连续工作，反馈控制系统可以分为连续时间控制与离散时间控制两大类。连续时间控制系统的描述方法有：微分方程、拉普拉斯变化、连续时间状态方程。离散时间控制系统的描述方法有：差分方程、Z变换、离散时域状态方程。在过程工业领域，除控制器外所有的控制对象都属于连续时间

7、系统（操作变量、外部扰动、被控变量都是连续时间信号），控制器可以分为模拟控制器和数字控制器。对于由数字控制器与连续被控过程组成的控制系统，可以将被控过程采样离散化成完整的离散时间系统；也可以将数字控制器连续化成为完整的连续时间系统。3、位式控制与连续输出控制根据执行机构的不同，反馈控制系统可以分为位式控制与连续输出控制。某些执行机构只有“开”、“关”两种状态，如继电器。位式控制系统中的等幅振荡是不可避免的。4、多输入多输出控制（Multiple input multiple output，MIMO)、单输入单输出控制（Single input single output，SISO）与多回路控制

8、rPID类（包括：单回路（包括：单回路PID、串级、比值、分程、串级、比值、分程、选择或超驰控制等），选择或超驰控制等），特点：主要适用于主要适用于SISO系统、基本上不需要对系统、基本上不需要对象的动态模型、结构简单、在线调整方便。象的动态模型、结构简单、在线调整方便。rAPC类（先进控制方法，包括：（先进控制方法，包括：前馈、解耦控、解耦控制、内模控制、预测控制、自适应控制等），制、内模控制、预测控制、自适应控制等），特点：主要适用于主要适用于MIMO或大纯滞后或大纯滞后SISO系统、系统、需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。r主体：过程控制系统r基

9、础：控制理论r对象p生产装置p工段、车间、工厂r工具：自动化技术工具p仪表p控制装置p计算机 本课程结合工程实际进行方案设计，力求简单、可靠、经济与保持良好效果。 r对简单控制系统中对象、检测变送、执行器、控制器各部分进行分析讨论，然后讲述设计原则。r最后讲述控制器参数整定，满足品质指标。第一部分：第一部分： 简单控制系统简单控制系统r在简单反馈控制回路中增加计算环节、控制环节或其他环节的控制系统称为复杂控制系统。复杂控制系统约占全部控制回路数的10%，但对一些过程的控制确有重要作用。r简单控制系统解决了大量定值控制问题，是控制系统中最基本和使用最广泛的一种形式。但生产的发展对操作条件要求更加严格，为适应生产发展，出现了复杂控制系统。第二部分： 常用复杂控制系统 主要介绍常用复杂控制系统中串级控制系统、均匀控制系统、比值控制系统、前馈控制系统、分程控制系统、选择性控制系统基本原理、结构、性能分析和工程设计及应用。r随着计算机应用于生产过程控制，使原来难于实施控制系统可以实现；生产过程向大型化、精细化发展，对控制提出了更高要求。出现了先进控制技术，而智能控制已成为开发和应用的热点 。r主要简单介绍基于模型的预测控制、推断控制、软测量技术、纯