過程控制第七節(jié)

1、1過程控制過程控制 主講：孫鑫Email:Email:孫鑫2n過程控制的概念n過程控制的任務(wù)n過程控制的特點(diǎn)n過程控制的內(nèi)容孫鑫3n工業(yè)過程分類連續(xù)過程工業(yè)離散過程工業(yè)間隙過程工業(yè)其中連續(xù)過程工業(yè)約占80%如石化、電力、冶金、造紙、醫(yī)藥等孫鑫4n連續(xù)過程工業(yè) 過程控制n離散過程工業(yè) 運(yùn)動(dòng)控制n間隙過程工業(yè) 混合控制過程控制過程控制的任務(wù)，簡單的說：就是解決連續(xù)過程工業(yè)的控制問題。孫鑫5n控制對象非剛體、流體形態(tài)n控制參數(shù)溫度、壓力、流量、液位、成份n控制設(shè)備可控硅、泵、閥調(diào)節(jié)器、DCS、FCS、CIPS孫鑫6CIPS系統(tǒng)系統(tǒng)CIPS網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一種以控制信息為主的復(fù)合系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)以內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)控

2、制模塊的各種設(shè)備與主機(jī)（計(jì)算機(jī)等）。以及相關(guān)的互聯(lián)設(shè)備（CIPS網(wǎng)關(guān)、CIPS路由、以太網(wǎng)類、以太網(wǎng)路由等）構(gòu)成系統(tǒng)，可以提供各種控制的解決方案，并且系統(tǒng)能夠支持互聯(lián)網(wǎng)上的多種信息應(yīng)用。由于CIPS支持CIP模塊，而CIP模塊支持互聯(lián)網(wǎng)的準(zhǔn)則通訊協(xié)議IP/TCP，并且CIP模塊具有良好的控制功能和多線程處理能力，因而CIPS能夠處使互聯(lián)機(jī)的終端向前邁進(jìn)一步。由功能強(qiáng)大的主機(jī)延伸到價(jià)格低廉的各種電子設(shè)備，反之，CIPS也使得信息功能薄弱的各種控制設(shè)備具有了信息處理、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的能力，從而使單節(jié)點(diǎn)設(shè)備一下子具有強(qiáng)大的信息能力。CIPS系統(tǒng)充分利用了已有互聯(lián)信息傳遞強(qiáng)大的處理能力，以及可靠性等和各種控

3、制微處理器，有效的控制接口，低廉的處理成本等，創(chuàng)造了一個(gè)集兩省之優(yōu)點(diǎn)的信息控制系統(tǒng)。因CIPS采用了互聯(lián)信息，因而不需要開發(fā)已有的信息系統(tǒng)，只需將已有的信息系統(tǒng)擴(kuò)展到CIP模塊即可。而CIP模塊構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)很大部分與已有的互聯(lián)網(wǎng)接口兼容，因而很容易構(gòu)建CIPS的網(wǎng)絡(luò)。孫鑫7n控制對象剛體、固體形態(tài)n控制參數(shù)位置、速度、加速度等n控制設(shè)備繼電器、變頻器、PLC、CIMS孫鑫8n主要三大指標(biāo)安全性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性安全性：故障診斷、預(yù)測經(jīng)濟(jì)性：節(jié)能高效穩(wěn)定性：消除干擾、保證質(zhì)量孫鑫9n基礎(chǔ)：了解、掌握生產(chǎn)過程的動(dòng)靜態(tài)特性n目標(biāo)：根據(jù)三大指標(biāo)n應(yīng)用適宜的理論進(jìn)行分析和綜合n采用適宜的技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)孫鑫

4、10n復(fù)雜難以建模n干擾難以精確建模n整體融合，且 局部最優(yōu)全局最優(yōu)孫鑫11控制理論儀器儀表計(jì)算機(jī)軟件過程控制過程控制算法算法自動(dòng)化儀自動(dòng)化儀表表/系統(tǒng)系統(tǒng)過程控制過程控制軟件軟件過程過程控制控制孫鑫12n過程控制算法經(jīng)典控制算法先進(jìn)控制算法現(xiàn)代控制智能控制孫鑫13PID、比值、前饋、串級(jí)、smith補(bǔ)償控制孫鑫14n美國N. Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法(1922)孫鑫15G(S)U(S)PIDR(S)E(S) -自整定推理規(guī)則知識(shí)庫Y(S)孫鑫16自適應(yīng)、解耦、預(yù)測、魯棒控制孫鑫17n瑞典Karl J. Astrom提出最小二乘辨識(shí)，解決了線性定常系統(tǒng)參

5、數(shù)估計(jì)問題和定階方法(1967)，六年后，提出了自校正調(diào)節(jié)器孫鑫18n專家控制、模糊控制、神經(jīng)控制n遺傳算法、免疫控制孫鑫19n1965年，美國學(xué)者L.A. Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。孫鑫20n自動(dòng)化儀表/系統(tǒng)模擬調(diào)節(jié)器集中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)混合計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分散計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場（總線）控制系統(tǒng)孫鑫21監(jiān)控計(jì)算機(jī)閥泵變送器420mACCS（1959，TRW-300）孫鑫22孫鑫23閥泵變送器PLCLAN專用接口420mA控制站管理站DCS（1975，TDC-2000）孫鑫24閥泵現(xiàn)場總線變送器PLC通信控制站LAN管理站FCS（1984，Bitbus）孫鑫25n過程控制軟件控制軟件人

6、機(jī)界面軟件管理軟件自動(dòng)化軟件（組態(tài)軟件）孫鑫265 51 1 對象動(dòng)特性及其實(shí)驗(yàn)測定對象動(dòng)特性及其實(shí)驗(yàn)測定 一般研究調(diào)節(jié)對象特性（即建模）的方法有兩種：1. 機(jī)理分析法機(jī)理分析法 通過分析過程的機(jī)理，根據(jù)物料平衡物料平衡或能量平衡能量平衡關(guān)系求得數(shù)學(xué)模型，即對象動(dòng)態(tài)特性的微分方程。2. 實(shí)驗(yàn)測定法實(shí)驗(yàn)測定法 通過實(shí)驗(yàn)測定，對取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工整理而求得對象的微分方程式或傳遞函數(shù)。孫鑫27一、機(jī)理分析建模法一、機(jī)理分析建模法n靜態(tài)平衡條件靜態(tài)平衡條件 在靜態(tài)調(diào)節(jié)下，單位時(shí)間流入對象的物料或能量等于從系統(tǒng)中流出的物料或能量；n動(dòng)態(tài)平衡條件動(dòng)態(tài)平衡條件 在動(dòng)態(tài)條件下，單位時(shí)間內(nèi)流入系統(tǒng)的物料（或能量

7、）與單位時(shí)間內(nèi)流出的物料（或能量）之差等于系統(tǒng)內(nèi)物料（或能量）儲(chǔ)存量的變化率。孫鑫28單容對象動(dòng)特性及其數(shù)學(xué)描述n雙容對象動(dòng)特性及其數(shù)學(xué)描述n一般工業(yè)對象的傳遞函數(shù)表達(dá)n過程對象數(shù)學(xué)模型分類與表達(dá)孫鑫29如圖是一個(gè)簡單的水如圖是一個(gè)簡單的水位調(diào)節(jié)對象位調(diào)節(jié)對象流入流入水槽的水流量Q1是由管路上的閥門1來調(diào)節(jié)的流出流出的水流量Q2決定于管路上閥門2的開度,它是隨用戶需要而改變的.孫鑫30根據(jù)物料平衡關(guān)系根據(jù)物料平衡關(guān)系,在正常工作狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)方程式是在正常工作狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)方程式是:（ 式中Q10 輸入穩(wěn)態(tài)水流量， Q20 輸出穩(wěn)態(tài)水流量）動(dòng)態(tài)方程式是動(dòng)態(tài)方程式是:（Q1 輸入水流量， Q2 輸出

8、水流量，V 水槽中儲(chǔ)存水的容量）02010QQdtdvQQ21孫鑫31上式可以看出，水位變化決定于兩個(gè)因素上式可以看出，水位變化決定于兩個(gè)因素:1. 一個(gè)是水槽橫截面積一個(gè)是水槽橫截面積A2. 一個(gè)是流入量與流出量的差額一個(gè)是流入量與流出量的差額 A越大，水位變化越小越大，水位變化越小.因此，因此，A是決定水槽水位變化率大小的因素是決定水槽水位變化率大小的因素A稱為水槽的容量系數(shù)，又稱液容稱為水槽的容量系數(shù)，又稱液容C.AQQdtdh21使水位升高1m，水槽內(nèi)應(yīng)該充入水的體積孫鑫321KhdthdT水位調(diào)節(jié)對象調(diào)節(jié)通道的微分方程式水位調(diào)節(jié)對象調(diào)節(jié)通道的微分方程式:式中 T=ARS，RS為流出閥

9、門2的阻力， T是對象時(shí)間常數(shù)； 1表示進(jìn)料水管閥門開度有一個(gè)階躍的變化； K=KRS， K滿足Q1= K 1 ， K是對象放大系數(shù)。孫鑫33n寫成拉氏變換式寫成拉氏變換式（一個(gè)典型的一階慣性環(huán)節(jié)）（一個(gè)典型的一階慣性環(huán)節(jié)）1)()(1TsKssH孫鑫34)1 (1TteKh 以水位對象為例,當(dāng)進(jìn)料水管閥門開度有一個(gè)階躍的變化1 ,同時(shí) 將使進(jìn)料量有一階躍變化Q1時(shí),能得出水位的變化規(guī)律如下:輸出量對時(shí)間的變化曲線孫鑫35典型受控過程典型受控過程 ：單容過程：單容過程 對象原始模型：對象原始模型：QoA橫截面積為：uhsmQi3 單位：體積流量：oiQQdtdhAhkQukQoui , , h

10、kukAdtdhu1屬于非線性模型屬于非線性模型孫鑫36典型受控過程典型受控過程 ：單容過程：單容過程 線性化模型：（線性化模型：（ ）)()()(000 xxxfxfxfhhkhkukukAdthduu21oooQQQhhh動(dòng)態(tài)條件下：動(dòng)態(tài)條件下： ,iiiQQQ. ,uuu穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)為：穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)為： 并且并且 . uQQhoi , , ,oiQQ 對非線性項(xiàng)，在平衡工況點(diǎn)做線性化處理，有：對非線性項(xiàng)，在平衡工況點(diǎn)做線性化處理，有： hhhh21孫鑫37水槽水位的動(dòng)特性考慮穩(wěn)態(tài)條件下：考慮穩(wěn)態(tài)條件下：hhkukAdthdu21ukhkhdthdAkhu220hkuku則有：則有： 即：即：

11、 上式即是水位控制系統(tǒng)的一階上式即是水位控制系統(tǒng)的一階動(dòng)態(tài)微分方程動(dòng)態(tài)微分方程。 1KhdthdT孫鑫38水槽水位的動(dòng)特性n液阻 及液容C(=A)：,hkQohhhh21hhkQo2, 2hkhQhRos則水槽水位調(diào)節(jié)對象的傳遞函數(shù)為：11)()()(TsKsARRksUsHsGssuphhkukAdthdu21sR1)1 (ueKhTt：階躍響應(yīng)孫鑫39)1 (1TteKh 以水位對象為例,當(dāng)進(jìn)料水管閥門開度有一個(gè)階躍的變化1 ,同時(shí) 將使進(jìn)料量有一階躍變化Q1時(shí),能得出水位的變化規(guī)律如下:輸出量對時(shí)間的變化曲線孫鑫40對象的自衡特性 對象在擾動(dòng)作用破壞其平衡工況后，在沒有操作人員或調(diào)節(jié)器的

12、干預(yù)下自動(dòng)恢復(fù)平衡的特性，稱為自衡特性自衡特性。QiQoA橫截面積為：uhAQ0Qi孫鑫41n例如： 1 Q1 h Q2 （直到 Q2 = Q1 ）孫鑫42對象的自衡特性n自衡對象：自衡對象：uA1h+-s1oQukhk2iQ根據(jù)上式，可得描述對象動(dòng)態(tài)特性的方框圖：hhkukAdthdu21自衡對象內(nèi)部包含自然形式的負(fù)反饋。孫鑫43上圖中，輸出量靠水泵壓送，與水位無關(guān)，可得 d h/ dt= 1=常數(shù)典型受控過程典型受控過程 ：非自衡過程：非自衡過程孫鑫44典型受控過程典型受控過程 ：非自衡過程：非自衡過程ALCQ0Qi0QQdthdAi物料平衡方程：tt0Q(t)h(t)QoQi靠液位控制器

13、LC引入反饋孫鑫45n調(diào)節(jié)對象具有兩個(gè)水槽,也就是說它有兩個(gè)可以儲(chǔ)水的容器，稱為雙容對象雙容對象n由兩個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)起來，即)1)(1()()(2112sTsTKssH孫鑫46圖中，由于多了一個(gè)容器，使調(diào)節(jié)對象的飛升特性在時(shí)間上比僅一個(gè)容器時(shí)落后一步。圖中P為拐點(diǎn)，A為切線與X軸的交點(diǎn)。OA為容量滯后。容量滯后。孫鑫47典型受控過程：多容過程典型受控過程：多容過程TC進(jìn)料出料燃料油y(t)u(t)tt0u(t)y(t)y0y1u0u1T0T2T1孫鑫48(2) 多容對象、容量滯后孫鑫49n滯后滯后是指被調(diào)量的變化落后于擾動(dòng)的發(fā)生和變化。n滯后滯后= 容量滯后容量滯后+純滯后純滯后n容量滯后

14、容量滯后由對象儲(chǔ)蓄容量引起。n純滯后純滯后由信號(hào)傳輸引起。孫鑫50二、對象特性的階躍響應(yīng)測試法二、對象特性的階躍響應(yīng)測試法典型自衡工業(yè)對象典型自衡工業(yè)對象的階躍響應(yīng)的階躍響應(yīng)seTsKsusy1)()(對象的近似模型：對象的近似模型：對應(yīng)參數(shù)見左圖，而增益為：對應(yīng)參數(shù)見左圖，而增益為：minmax01minmax01uuuuyyyyKymin, ymax為PV的測量范圍；umin, umax為MV的變化范圍，對于閥位開度通常用0100%表示。tt0u(t)y(t)y0y1u0u1T0T3T1T2Tp平衡工況點(diǎn)（ ， ）u0y0孫鑫51工業(yè)過程控制對象的特點(diǎn)工業(yè)過程控制對象的特點(diǎn)n除液位對象外的

15、大多數(shù)被控對象本身是穩(wěn)定自衡對象；n對象動(dòng)態(tài)特性存在不同程度的純遲延；n對象的階躍響應(yīng)通常為單調(diào)曲線，除流量對象外的被調(diào)量的變化相對緩慢；n被控對象往往具有非線性、不確定性與時(shí)變等特性。孫鑫52n工業(yè)過程一般動(dòng)態(tài)特性工業(yè)過程一般動(dòng)態(tài)特性有滯后（或稱為遲延）有滯后（或稱為遲延）有自衡有自衡有非線性（死區(qū)、飽和、磁滯等）有非線性（死區(qū)、飽和、磁滯等）孫鑫53n具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)近似描述具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)近似描述n具有純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)近似描述具有純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)近似描述1)(TsKesGs)1)(1()(21sTsTKesGs孫鑫54) 1()(21sTsTKesGsTsKesG

16、s)(孫鑫55微分方程（動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，時(shí)域）微分方程（動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，時(shí)域）傳遞函數(shù)（拉氏變換，頻域）傳遞函數(shù)（拉氏變換，頻域）差分方程（離散處理，時(shí)域）差分方程（離散處理，時(shí)域）狀態(tài)方程（可用于多變量，時(shí)域）狀態(tài)方程（可用于多變量，時(shí)域）孫鑫56以具有二階慣性環(huán)節(jié)的對象為例以具有二階慣性環(huán)節(jié)的對象為例)1)(1()(21sTsTKsG)()()()()()(01201tubtubtubtyatyaty duxccyubbxaaaax212122211211)() 1()2()() 1()2(21021kubkubkubkyakyaky孫鑫57第三章第三章 過程建模過程建模傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的測定動(dòng)態(tài)特性的試驗(yàn)

17、方法（實(shí)驗(yàn)法）測定動(dòng)態(tài)特性的試驗(yàn)方法（實(shí)驗(yàn)法）主要有三種主要有三種:n測定動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域方法n測定動(dòng)態(tài)特性的頻域方法n測定動(dòng)態(tài)特性的統(tǒng)計(jì)方法孫鑫581.1.測定動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域方法測定動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域方法n時(shí)域方法主要是求取對象的飛升（階躍響應(yīng)）曲線或脈沖（方波）響應(yīng)曲線n輸入如果作階躍變化,測出對象的飛升曲線n輸入如果是脈沖方波,測出對象的脈沖方波響應(yīng)曲線孫鑫59飛升特性就是輸入為階躍函數(shù)時(shí)的輸出量曲線右圖為自衡對象的飛升曲線:孫鑫60無自衡對象的飛升曲線:孫鑫61試驗(yàn)過程中注意的問題:n防止干擾發(fā)生n加上反向的階躍信號(hào),檢驗(yàn)非線性特性n應(yīng)重復(fù)試驗(yàn)（對象最小,最大,平均負(fù)荷）n注意被調(diào)量離開起始

18、點(diǎn)狀態(tài)時(shí)的情況孫鑫62孫鑫63 y(t)=y1(t)+y2(t) y1(t)為在t=0時(shí)加入階躍x1(t)的響應(yīng), y2(t)為t=t時(shí)加入負(fù)階躍信號(hào)x2(t)的響應(yīng)曲線. 等價(jià)于下式: y(t)=y1(t)-y1(t- t)孫鑫64 帶有純滯后的一階或二階非周期環(huán)節(jié)用下式描述:或?qū)O鑫65 飛升曲線是一條S形的非周期曲線 (如下圖),可作為有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)來處理.孫鑫66對象放大常數(shù)k和時(shí)間常數(shù)T，可由下式得出:純滯后可直接測得。通常該方法稱為切線法切線法。孫鑫67無自衡特性對象的參數(shù)同樣滿足：孫鑫68 上述方法比較簡單, 但準(zhǔn)確性不高. 為什么？ 比較準(zhǔn)確的方法一般將y(t)曲線修改成無因次的飛升曲線y*(t).孫鑫69選擇t1及t2 ; 且t2 t1 孫鑫70取 y*(t1) =0.39, y*(t2)=0.63得:該方法稱為該方法稱為兩點(diǎn)法。您能推導(dǎo)嗎？兩點(diǎn)法。您能推導(dǎo)嗎？孫鑫71 對于S形的試驗(yàn)飛升曲線,規(guī)定其傳遞函數(shù)近似如下:孫鑫72n上述為留數(shù)定理建模法留數(shù)定理建模法。其中K和估算方法同前。您能求解嗎？CATTTTTTTTTT21