过程控制第七节

1、1过程控制过程控制 主讲：孙鑫Email:Email:孙鑫2n过程控制的概念n过程控制的任务n过程控制的特点n过程控制的内容孙鑫3n工业过程分类连续过程工业离散过程工业间隙过程工业其中连续过程工业约占80%如石化、电力、冶金、造纸、医药等孙鑫4n连续过程工业 过程控制n离散过程工业 运动控制n间隙过程工业 混合控制过程控制过程控制的任务，简单的说：就是解决连续过程工业的控制问题。孙鑫5n控制对象非刚体、流体形态n控制参数温度、压力、流量、液位、成份n控制设备可控硅、泵、阀调节器、DCS、FCS、CIPS孙鑫6CIPS系统系统CIPS网络控制系统是一种以控制信息为主的复合系统。系统内以内嵌网络控

2、制模块的各种设备与主机（计算机等）。以及相关的互联设备（CIPS网关、CIPS路由、以太网类、以太网路由等）构成系统，可以提供各种控制的解决方案，并且系统能够支持互联网上的多种信息应用。由于CIPS支持CIP模块，而CIP模块支持互联网的准则通讯协议IP/TCP，并且CIP模块具有良好的控制功能和多线程处理能力，因而CIPS能够处使互联机的终端向前迈进一步。由功能强大的主机延伸到价格低廉的各种电子设备，反之，CIPS也使得信息功能薄弱的各种控制设备具有了信息处理、网络互联的能力，从而使单节点设备一下子具有强大的信息能力。CIPS系统充分利用了已有互联信息传递强大的处理能力，以及可靠性等和各种控

3、制微处理器，有效的控制接口，低廉的处理成本等，创造了一个集两省之优点的信息控制系统。因CIPS采用了互联信息，因而不需要开发已有的信息系统，只需将已有的信息系统扩展到CIP模块即可。而CIP模块构建的网络很大部分与已有的互联网接口兼容，因而很容易构建CIPS的网络。孙鑫7n控制对象刚体、固体形态n控制参数位置、速度、加速度等n控制设备继电器、变频器、PLC、CIMS孙鑫8n主要三大指标安全性、经济性、稳定性安全性：故障诊断、预测经济性：节能高效稳定性：消除干扰、保证质量孙鑫9n基础：了解、掌握生产过程的动静态特性n目标：根据三大指标n应用适宜的理论进行分析和综合n采用适宜的技术手段加以实现孙鑫

4、10n复杂难以建模n干扰难以精确建模n整体融合，且 局部最优全局最优孙鑫11控制理论仪器仪表计算机软件过程控制过程控制算法算法自动化仪自动化仪表表/系统系统过程控制过程控制软件软件过程过程控制控制孙鑫12n过程控制算法经典控制算法先进控制算法现代控制智能控制孙鑫13PID、比值、前馈、串级、smith补偿控制孙鑫14n美国N. Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922)孙鑫15G(S)U(S)PIDR(S)E(S) -自整定推理规则知识库Y(S)孙鑫16自适应、解耦、预测、鲁棒控制孙鑫17n瑞典Karl J. Astrom提出最小二乘辨识，解决了线性定常系统参

5、数估计问题和定阶方法(1967)，六年后，提出了自校正调节器孙鑫18n专家控制、模糊控制、神经控制n遗传算法、免疫控制孙鑫19n1965年，美国学者L.A. Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。孙鑫20n自动化仪表/系统模拟调节器集中计算机控制系统混合计算机控制系统分散计算机控制系统现场（总线）控制系统孙鑫21监控计算机阀泵变送器420mACCS（1959，TRW-300）孙鑫22孙鑫23阀泵变送器PLCLAN专用接口420mA控制站管理站DCS（1975，TDC-2000）孙鑫24阀泵现场总线变送器PLC通信控制站LAN管理站FCS（1984，Bitbus）孙鑫25n过程控制软件控制软件人

6、机界面软件管理软件自动化软件（组态软件）孙鑫265 51 1 对象动特性及其实验测定对象动特性及其实验测定 一般研究调节对象特性（即建模）的方法有两种：1. 机理分析法机理分析法 通过分析过程的机理，根据物料平衡物料平衡或能量平衡能量平衡关系求得数学模型，即对象动态特性的微分方程。2. 实验测定法实验测定法 通过实验测定，对取得的数据进行加工整理而求得对象的微分方程式或传递函数。孙鑫27一、机理分析建模法一、机理分析建模法n静态平衡条件静态平衡条件 在静态调节下，单位时间流入对象的物料或能量等于从系统中流出的物料或能量；n动态平衡条件动态平衡条件 在动态条件下，单位时间内流入系统的物料（或能量

7、）与单位时间内流出的物料（或能量）之差等于系统内物料（或能量）储存量的变化率。孙鑫28单容对象动特性及其数学描述n双容对象动特性及其数学描述n一般工业对象的传递函数表达n过程对象数学模型分类与表达孙鑫29如图是一个简单的水如图是一个简单的水位调节对象位调节对象流入流入水槽的水流量Q1是由管路上的阀门1来调节的流出流出的水流量Q2决定于管路上阀门2的开度,它是随用户需要而改变的.孙鑫30根据物料平衡关系根据物料平衡关系,在正常工作状态下的稳态方程式是在正常工作状态下的稳态方程式是:（ 式中Q10 输入稳态水流量， Q20 输出稳态水流量）动态方程式是动态方程式是:（Q1 输入水流量， Q2 输出

8、水流量，V 水槽中储存水的容量）02010QQdtdvQQ21孙鑫31上式可以看出，水位变化决定于两个因素上式可以看出，水位变化决定于两个因素:1. 一个是水槽横截面积一个是水槽横截面积A2. 一个是流入量与流出量的差额一个是流入量与流出量的差额 A越大，水位变化越小越大，水位变化越小.因此，因此，A是决定水槽水位变化率大小的因素是决定水槽水位变化率大小的因素A称为水槽的容量系数，又称液容称为水槽的容量系数，又称液容C.AQQdtdh21使水位升高1m，水槽内应该充入水的体积孙鑫321KhdthdT水位调节对象调节通道的微分方程式水位调节对象调节通道的微分方程式:式中 T=ARS，RS为流出阀

9、门2的阻力， T是对象时间常数； 1表示进料水管阀门开度有一个阶跃的变化； K=KRS， K满足Q1= K 1 ， K是对象放大系数。孙鑫33n写成拉氏变换式写成拉氏变换式（一个典型的一阶惯性环节）（一个典型的一阶惯性环节）1)()(1TsKssH孙鑫34)1 (1TteKh 以水位对象为例,当进料水管阀门开度有一个阶跃的变化1 ,同时 将使进料量有一阶跃变化Q1时,能得出水位的变化规律如下:输出量对时间的变化曲线孙鑫35典型受控过程典型受控过程 ：单容过程：单容过程 对象原始模型：对象原始模型：QoA横截面积为：uhsmQi3 单位：体积流量：oiQQdtdhAhkQukQoui , , h

10、kukAdtdhu1属于非线性模型属于非线性模型孙鑫36典型受控过程典型受控过程 ：单容过程：单容过程 线性化模型：（线性化模型：（ ）)()()(000 xxxfxfxfhhkhkukukAdthduu21oooQQQhhh动态条件下：动态条件下： ,iiiQQQ. ,uuu稳态工作点为：稳态工作点为： 并且并且 . uQQhoi , , ,oiQQ 对非线性项，在平衡工况点做线性化处理，有：对非线性项，在平衡工况点做线性化处理，有： hhhh21孙鑫37水槽水位的动特性考虑稳态条件下：考虑稳态条件下：hhkukAdthdu21ukhkhdthdAkhu220hkuku则有：则有： 即：即：

11、 上式即是水位控制系统的一阶上式即是水位控制系统的一阶动态微分方程动态微分方程。 1KhdthdT孙鑫38水槽水位的动特性n液阻 及液容C(=A)：,hkQohhhh21hhkQo2, 2hkhQhRos则水槽水位调节对象的传递函数为：11)()()(TsKsARRksUsHsGssuphhkukAdthdu21sR1)1 (ueKhTt：阶跃响应孙鑫39)1 (1TteKh 以水位对象为例,当进料水管阀门开度有一个阶跃的变化1 ,同时 将使进料量有一阶跃变化Q1时,能得出水位的变化规律如下:输出量对时间的变化曲线孙鑫40对象的自衡特性 对象在扰动作用破坏其平衡工况后，在没有操作人员或调节器的

12、干预下自动恢复平衡的特性，称为自衡特性自衡特性。QiQoA横截面积为：uhAQ0Qi孙鑫41n例如： 1 Q1 h Q2 （直到 Q2 = Q1 ）孙鑫42对象的自衡特性n自衡对象：自衡对象：uA1h+-s1oQukhk2iQ根据上式，可得描述对象动态特性的方框图：hhkukAdthdu21自衡对象内部包含自然形式的负反馈。孙鑫43上图中，输出量靠水泵压送，与水位无关，可得 d h/ dt= 1=常数典型受控过程典型受控过程 ：非自衡过程：非自衡过程孙鑫44典型受控过程典型受控过程 ：非自衡过程：非自衡过程ALCQ0Qi0QQdthdAi物料平衡方程：tt0Q(t)h(t)QoQi靠液位控制器

13、LC引入反馈孙鑫45n调节对象具有两个水槽,也就是说它有两个可以储水的容器，称为双容对象双容对象n由两个一阶惯性环节串联起来，即)1)(1()()(2112sTsTKssH孙鑫46图中，由于多了一个容器，使调节对象的飞升特性在时间上比仅一个容器时落后一步。图中P为拐点，A为切线与X轴的交点。OA为容量滞后。容量滞后。孙鑫47典型受控过程：多容过程典型受控过程：多容过程TC进料出料燃料油y(t)u(t)tt0u(t)y(t)y0y1u0u1T0T2T1孙鑫48(2) 多容对象、容量滞后孙鑫49n滞后滞后是指被调量的变化落后于扰动的发生和变化。n滞后滞后= 容量滞后容量滞后+纯滞后纯滞后n容量滞后

14、容量滞后由对象储蓄容量引起。n纯滞后纯滞后由信号传输引起。孙鑫50二、对象特性的阶跃响应测试法二、对象特性的阶跃响应测试法典型自衡工业对象典型自衡工业对象的阶跃响应的阶跃响应seTsKsusy1)()(对象的近似模型：对象的近似模型：对应参数见左图，而增益为：对应参数见左图，而增益为：minmax01minmax01uuuuyyyyKymin, ymax为PV的测量范围；umin, umax为MV的变化范围，对于阀位开度通常用0100%表示。tt0u(t)y(t)y0y1u0u1T0T3T1T2Tp平衡工况点（ ， ）u0y0孙鑫51工业过程控制对象的特点工业过程控制对象的特点n除液位对象外的

15、大多数被控对象本身是稳定自衡对象；n对象动态特性存在不同程度的纯迟延；n对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流量对象外的被调量的变化相对缓慢；n被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。孙鑫52n工业过程一般动态特性工业过程一般动态特性有滞后（或称为迟延）有滞后（或称为迟延）有自衡有自衡有非线性（死区、饱和、磁滞等）有非线性（死区、饱和、磁滞等）孙鑫53n具有纯滞后的一阶惯性环节近似描述具有纯滞后的一阶惯性环节近似描述n具有纯滞后的二阶惯性环节近似描述具有纯滞后的二阶惯性环节近似描述1)(TsKesGs)1)(1()(21sTsTKesGs孙鑫54) 1()(21sTsTKesGsTsKesG

16、s)(孙鑫55微分方程（动态系统，时域）微分方程（动态系统，时域）传递函数（拉氏变换，频域）传递函数（拉氏变换，频域）差分方程（离散处理，时域）差分方程（离散处理，时域）状态方程（可用于多变量，时域）状态方程（可用于多变量，时域）孙鑫56以具有二阶惯性环节的对象为例以具有二阶惯性环节的对象为例)1)(1()(21sTsTKsG)()()()()()(01201tubtubtubtyatyaty duxccyubbxaaaax212122211211)() 1()2()() 1()2(21021kubkubkubkyakyaky孙鑫57第三章第三章 过程建模过程建模传统的传统的测定动态特性的试验

17、方法（实验法）测定动态特性的试验方法（实验法）主要有三种主要有三种:n测定动态特性的时域方法n测定动态特性的频域方法n测定动态特性的统计方法孙鑫581.1.测定动态特性的时域方法测定动态特性的时域方法n时域方法主要是求取对象的飞升（阶跃响应）曲线或脉冲（方波）响应曲线n输入如果作阶跃变化,测出对象的飞升曲线n输入如果是脉冲方波,测出对象的脉冲方波响应曲线孙鑫59飞升特性就是输入为阶跃函数时的输出量曲线右图为自衡对象的飞升曲线:孙鑫60无自衡对象的飞升曲线:孙鑫61试验过程中注意的问题:n防止干扰发生n加上反向的阶跃信号,检验非线性特性n应重复试验（对象最小,最大,平均负荷）n注意被调量离开起始

18、点状态时的情况孙鑫62孙鑫63 y(t)=y1(t)+y2(t) y1(t)为在t=0时加入阶跃x1(t)的响应, y2(t)为t=t时加入负阶跃信号x2(t)的响应曲线. 等价于下式: y(t)=y1(t)-y1(t- t)孙鑫64 带有纯滞后的一阶或二阶非周期环节用下式描述:或孙鑫65 飞升曲线是一条S形的非周期曲线 (如下图),可作为有纯滞后的一阶惯性环节来处理.孙鑫66对象放大常数k和时间常数T，可由下式得出:纯滞后可直接测得。通常该方法称为切线法切线法。孙鑫67无自衡特性对象的参数同样满足：孙鑫68 上述方法比较简单, 但准确性不高. 为什么？ 比较准确的方法一般将y(t)曲线修改成无因次的飞升曲线y*(t).孙鑫69选择t1及t2 ; 且t2 t1 孙鑫70取 y*(t1) =0.39, y*(t2)=0.63得:该方法称为该方法称为两点法。您能推导吗？两点法。您能推导吗？孙鑫71 对于S形的试验飞升曲线,规定其传递函数近似如下:孙鑫72n上述为留数定理建模法留数定理建模法。其中K和估算方法同前。您能求解吗？CATTTTTTTTTT21