工業(yè)過程先進控制概述-石紅瑞

博士點）下設(shè)二級學科控制理論與控制工程（博士點）模式識別與智能系統(tǒng)（博士點）檢測技術(shù)與自動化裝置（碩士點）系統(tǒng)工程（碩士點）導(dǎo)航制導(dǎo)一、過程控制（ProcessControl)

的研究對象和任務(wù)工業(yè)自動化涉及的范圍極廣，過程控制是其中最重要的一個分支。1、研究對象：六大參數(shù)的工業(yè)控制問題溫度(T)、壓力(P)、液位(L)、流量(F)、成分和物性(A)。范圍：石油、化工、冶金、電力、輕工、紡織等工藝工程。劃分：連續(xù)過程、間歇過程或稱批量過程（BatchProcess)典型被控對象（過程）：物料貯存（液體貯存）熱量或質(zhì)量交換（換熱器、精餾塔等）化學反應(yīng)設(shè)備，如連續(xù)槽反應(yīng)器CSTR(ContinousStirred-TankReactor)2、任務(wù)在了解和掌握生產(chǎn)過程、工藝流程靜動特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)用控制理論對過程控制系統(tǒng)進行分析和綜合，即方案設(shè)計，最后采用適宜的技術(shù)加以實現(xiàn)。（自動控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)）要求：安全性、經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。安全型：報警和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)(ESD)經(jīng)濟性：節(jié)能降耗、環(huán)境保護穩(wěn)定性：抑制干擾、長期穩(wěn)定運行3、過程控的體系結(jié)構(gòu)

控制理論儀表與計算機過程控制系統(tǒng)過程(對象)4、過程控制系統(tǒng)的組成控制器C(s)執(zhí)行器Gv(s)對象Gp(s)測量變送器Gm(s)指令信號(設(shè)定值)測量噪聲干擾信號被控參數(shù)擾動TC換熱器溫度控制系統(tǒng)加熱蒸汽被加熱介質(zhì)（德國）2020自動化技術(shù)是下列技術(shù)：電子電氣技術(shù)（ElectronicElectric,EE）機電一體化技術(shù)生產(chǎn)工藝流程計算機和IT技術(shù)傳感器和變送器驅(qū)動和執(zhí)行系統(tǒng)通信技術(shù)的綜合自動化控制系統(tǒng)是運用和應(yīng)用自動化技術(shù)、產(chǎn)品和工具構(gòu)成一個完整的針對流程和生產(chǎn)過程的解決方案。二、過程控制系統(tǒng)的發(fā)展1、被控對象（生產(chǎn)過程）簡單---復(fù)雜---大型---連續(xù)---優(yōu)化生產(chǎn)過程（卡邊：優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低能耗）對象特性：非線性、時變、分布參數(shù)、多變量耦合、滯后等2、控制理論的發(fā)展40’：經(jīng)典控制理論系統(tǒng)描述：傳遞函數(shù)分析設(shè)計方法：根軌跡、Bode圖研究對象：SISO、線性定?？刂品桨福篜ID、串級、前饋等經(jīng)典控制理論亦稱古典頻域方法60~70’，現(xiàn)代控制理論核心：狀態(tài)空間內(nèi)容包括：以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識；以極小值原理和動態(tài)規(guī)劃為核心的最優(yōu)控制；以Kalman

濾波理論為核心的最佳估計。采用Kalman

濾波器的隨機干擾下的線性二次型系統(tǒng)(LGQ)宣告時與方法的完成。研究對象：MIMO、線性時變研究內(nèi)容：可控性、可觀性、實現(xiàn)問題、典范型、分解理論、穩(wěn)定性理論使控制由一類工程設(shè)計方法提高到新的科學----控制科學。相繼出現(xiàn)了系統(tǒng)辨識與參數(shù)估計、隨機控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制等。航空、航天、制導(dǎo)成績輝煌，復(fù)雜工業(yè)過程無能為力。80~90’，大系統(tǒng)理論與智能控制大系統(tǒng)理論：控制理論廣度挖掘研究大系統(tǒng)的分解及各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，多級遞解與優(yōu)化控制。智能控制：控制理論深度開闊模擬人類智能，模擬人腦的神經(jīng)體液系統(tǒng)、人腦對模糊變量的處理能力。內(nèi)容包括：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、專家系統(tǒng)21’，網(wǎng)絡(luò)控制基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)是指傳感器、控制器、執(zhí)行器等通過實時網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)。其特征是系統(tǒng)各組件之間可以通過網(wǎng)絡(luò)交換信息研究基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)的各種性能。如：網(wǎng)絡(luò)絡(luò)控制系統(tǒng)的時延分析；網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的能控性和能觀性；網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的狀態(tài)估計；網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的隨機狀態(tài)反饋。工業(yè)過程控制理論頻域時域系統(tǒng)描述傳遞函數(shù)（非線性→線性化）狀態(tài)方程（連續(xù)→離散化）離散狀態(tài)方程控制系統(tǒng)設(shè)計方法描述函數(shù)根軌跡相平面伯德圖奈氏判據(jù)優(yōu)化控制極點配置動態(tài)規(guī)劃黎卡提方程控制器PID控制前饋、串級解耦Smith自整定PID多變量控制器狀態(tài)觀測器

Kalman濾波器內(nèi)模控制預(yù)測控制模型參考自適應(yīng)(魯棒控制)系統(tǒng)辨識(建模方法)頻率響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)相關(guān)分析最小二乘廣義最小二乘極大似然法多變量頻域隨機過程非線性系統(tǒng)3、檢測控制儀表的發(fā)展50’，基地式儀表（電子真空管），自力式溫度調(diào)節(jié)，就地式液位控制60’，單元組合（氣動、電動）

QDZ：0.02~0.1MPa標準信號

DDZП：0~10mA標準信號

DDZШ

：4~20mA、1~5V標準信號DDZ儀表與數(shù)字調(diào)節(jié)器70’,計算機控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)DCS(DistributedControlSystem)可編程序控制器PLC(ProgrammableLogicController)數(shù)字調(diào)節(jié)器（早期稱單回路調(diào)節(jié)器）工業(yè)控制計算機DCS的演變DCS體系結(jié)構(gòu)——橫河CS3000DCS的體系結(jié)構(gòu)——SiemensABPLC控制系統(tǒng)丁基生產(chǎn)線工藝流程窗口

報警匯總和事務(wù)日志窗口XV603P1氣動開/關(guān)閥的順序和安全聯(lián)鎖梯形圖程序90’，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbusControlSystem)國際電工技術(shù)委員會IEC和美國儀表協(xié)會ISA定義：“現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分枝結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)；關(guān)鍵標志：支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通信?！标P(guān)鍵技術(shù)：智能現(xiàn)場儀表與通訊網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS的主要特征數(shù)字通訊代替4~20ｍＡ模擬傳輸，數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場；智能現(xiàn)場設(shè)備：智能變送器完成測量、變送基本功能，還具有自診斷、報警，再現(xiàn)標定、PID調(diào)節(jié)、信號處理、通信等功能，可實現(xiàn)多參數(shù)傳感變送器。開放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：協(xié)議公開、互操作性、互用性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性：總線儀表集檢測、運算、控制于一體，把DCS控制站的功能分配給現(xiàn)場儀表，構(gòu)成一種全分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)?！伴_放性、分散性與數(shù)字通信”是現(xiàn)場總線最顯著的特征。更好地體現(xiàn)“信息集中、控制分散的思想?！盕CS與傳統(tǒng)PLC配置方式的比較FCS對計算機控制系統(tǒng)的影響

傳統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)一般采用DCS結(jié)構(gòu)。在DCS中，對現(xiàn)場信號需要進行點對點的連接，并且I/O端子與PLC或自動化儀表一起被放在控制柜中，而不是放在現(xiàn)場。這就需要鋪設(shè)大量的信號傳輸電纜，布線復(fù)雜，既費料又費時，信號容易衰減并容易被干擾，而且又不便維護。DCS一般由操作員站、控制站等組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。而且DCS不是開放系統(tǒng)，互操作性差，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。而基于PC的FCS則完全克服了這些缺點。

（1）在FCS中，借助于現(xiàn)場總線技術(shù)，所有的I/O模塊均放在工業(yè)現(xiàn)場，而且所有的信號通過分布式智能I/O模塊在現(xiàn)場被轉(zhuǎn)換成標準數(shù)字信號，只需一根電纜就可把所有的現(xiàn)場子站連接起來，進而把現(xiàn)場信號非常簡捷地傳送到控制室監(jiān)控設(shè)備上，降低了成本，又便于安裝和維護，同時數(shù)字化的數(shù)據(jù)傳輸使系統(tǒng)具有很高的傳輸速度和很強的抗干擾能力。

（2）FCS具有開放性。在FCS中，軟件和硬件都遵從同樣的標準，互換性好，更新?lián)Q代容易。程序設(shè)計采用IEC1131-3五種國際標準編程語言，編程和開發(fā)工具是完全開放的，同時還可以利用PC豐富的軟硬件資源。

（3）系統(tǒng)的效率大為提高。在FCS中，一臺PC可同時完成原來要用兩臺設(shè)備才能完成的PLC和NC/CNC任務(wù)。在多任務(wù)的WindowsNT操作系統(tǒng)下，PC中的軟PLC可以同時執(zhí)行多達十幾個PLC任務(wù)，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在線調(diào)試和仿真功能，極大地改善了編程環(huán)境。

八種現(xiàn)場總線列為國際標準1、Type1基金會總線FF

低速總線H1,用于現(xiàn)場級，能夠通過總線為現(xiàn)場儀表供電，并支持帶總線供電設(shè)備的本質(zhì)安全高速總線H2，主要用于過程控制級、遠程I/O和其他高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。Type1FCS結(jié)構(gòu)示意圖網(wǎng)關(guān)管理層PC網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器操作站H2(HSE)

EthernetTCP/IPPLC等其他控制站網(wǎng)橋H1低速現(xiàn)場總線2、Type2現(xiàn)場總線----ControlNetControlNet現(xiàn)場總線，技術(shù)基礎(chǔ)RockwellAutomationRockwell自動化網(wǎng)絡(luò)總稱Netlinx，具有三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：信息層(Ethernet)、控制層(ControlNet)和設(shè)備層(DeviceNet)。3、Type3現(xiàn)場總線----PROFIBUS德國西門子公司是PROFIBUS產(chǎn)品的主要供應(yīng)商，PROFIBUS為現(xiàn)場總線的歐洲EN50170標準的第二部分。PROFIBUS是一種車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備級數(shù)據(jù)通訊的現(xiàn)場總線技術(shù)，有三個兼容部分組成：

PROFIBUS-DPPROFIBUS-FMSPROFIBUS-PA利用PROFIBUS總線構(gòu)成的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)大致可分為現(xiàn)場級、車間級和工廠及三層，現(xiàn)場級采用PROFIBUS-DP或PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線，車間級采用PROFIBUS-FMS，工廠級使用IndustrialEthernet。4、Type4現(xiàn)場總線Type4現(xiàn)場總線得到了P-NET(ProcessautomationNET)用戶組織的支持。P-NET是丹麥Process-DataSikebory

Aps從1983年開始開發(fā)，主要用于啤酒、食品、農(nóng)業(yè)和飼養(yǎng)業(yè)，現(xiàn)已成為歐洲EN50170標準的第二部分。

5、Type5現(xiàn)場總線Type5現(xiàn)場總線即為IEC定義的H2總線，它由FieidbusFoundation現(xiàn)場總線基金會組織負責開發(fā)，并于1998年全面采用已廣泛應(yīng)用于IT產(chǎn)業(yè)的高速以太網(wǎng)HSE(HighSpeedEthernet)標準。6、Type6現(xiàn)場總線SwiftNet是IEC61158中的第六種現(xiàn)場總線國際標準，它由美國SHIPSTAR協(xié)會主持制定，得到美國波音公司的支持，主要用于航空和航天等領(lǐng)域。該總線的特點是結(jié)構(gòu)簡單、實時性高，通信協(xié)議僅包括了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，在標準總沒有定義應(yīng)用層。7、Type7現(xiàn)場總線成立于1987年的WorldFIP協(xié)會制定并大力推廣Type7現(xiàn)場總線，WorldFIP協(xié)議現(xiàn)已成為歐洲EN50170標準的第三部分。8、Type8現(xiàn)場總線Interbus

現(xiàn)場總線由德國PhoenixContact公司開發(fā)，得到了Interbus俱樂部支持。它是一種串行總線系統(tǒng)，適用于分散輸入/輸出，以及不同類型控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳送。9、其他類型現(xiàn)場總線HART協(xié)議，用于現(xiàn)場智能儀表和控制是設(shè)備間通信的一種開放協(xié)議，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中過渡性產(chǎn)品，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)獅子信號通信。HART協(xié)議最早由Rosemount公司開發(fā)并得到E+H，Moor,AB,Siemens,Smar和橫河等許多著名儀表公司的支持。LonWorks總線

LonWorks技術(shù)的核心是具備通訊和控制功能的Neuron芯片,它實現(xiàn)了完整的LonWorks的LonTalk協(xié)議，由神經(jīng)芯片構(gòu)成的節(jié)點之間可以進行對等通信。神經(jīng)元芯片上集成有介質(zhì)訪問處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用處理器三個８位CPU。CAN(ControllerAreaNetwork)控制局域網(wǎng)CAN最早是由德國Bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。得到了Motorola、Intel、Philips、NEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域。4、過程控制系統(tǒng)的發(fā)展生產(chǎn)裝置實施先進控制成為發(fā)展主流70’DCS：PID/SISO，聯(lián)鎖保護80’多變量預(yù)測控制為代表的先進控制策略的成功提出和應(yīng)用過程優(yōu)化備受關(guān)注連續(xù)生產(chǎn)過程中，上游---下游整個生產(chǎn)裝置間的物流分配、物料平衡、能量平衡通過優(yōu)化獲得最佳經(jīng)濟效益?zhèn)鹘y(tǒng)DCS在走向國際統(tǒng)一標準的開放體系

DCS不兼容----FiedBus控制系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)(CIPS)是發(fā)展方向

三、先進控制APC(AdvancedProcessControl)對于那些不同于常規(guī)單回路PID控制，且具有比常規(guī)PID控制更好的控制效高的控制策略。先進性：在于它們目前在工業(yè)生產(chǎn)過程中尚很少使用，內(nèi)涵豐富，帶有較強的時代特征。任務(wù)明確：用于處理那些常規(guī)控制效果不好，甚至無法控制的復(fù)雜工業(yè)過程。經(jīng)濟效益顯著：乙烯裝置，投資163萬美元實施先進控制，完成后預(yù)期效益600萬美元／年?？刂评碚摰陌l(fā)展為先進控制奠定了應(yīng)用理論基礎(chǔ)，計算機系統(tǒng)為先進控制提供了強有力的硬件和軟件平臺。

先進控制的發(fā)展現(xiàn)狀自40’開始至今，采用PID控制律的SISO簡單反饋控制回路已成為過程控制的核心系統(tǒng)，即便是大量采用DCS的最現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程，這類回路仍占80~90%。PID是對人的簡單而有效操作方式的總結(jié)與模仿，足以維護一般工業(yè)工程的聘問操作和運行，歷史悠久，工業(yè)界較熟悉，且易接受。50’串級、比值、前饋、均勻、Smith魚骨等復(fù)雜控制系統(tǒng)，滿足了單變量控制系統(tǒng)的特殊要求，仍是經(jīng)典控制理論，結(jié)構(gòu)和應(yīng)用各有特色，目前仍在繼續(xù)改進和應(yīng)用。仍有10~20%的過程，上述策略無法奏效，強耦合、不確定、非線性、大純滯后等特性，且為生產(chǎn)過程的核心部分，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)率、消耗。隨著工業(yè)生產(chǎn)日益走向大型化、連續(xù)化、對工業(yè)生產(chǎn)工程控制的品質(zhì)提出了更高的要求，控制與經(jīng)濟效益的矛盾日益尖銳，迫切需要一類先進的控制策略。以狀態(tài)空間方法為主體的現(xiàn)代控制理論用于工程控制的困惑：除多變量控制策略自身的不足外，尚有解耦控制在約束處理和控制變更是缺乏靈活性；工業(yè)過程的復(fù)雜性使得建立正確的數(shù)學模型較困難；控制理論所需數(shù)學基礎(chǔ)限制了它為過程控制界所接受。80’前后，來自過程控制界的兩位探索者J.Richalet和C.R.Cutler分別報道了解決實時動態(tài)環(huán)境下帶約束多變量耦合系統(tǒng)的控制問題，模型預(yù)測啟發(fā)控制(MPHC)和動態(tài)矩陣控制(DMC)。自80’后，出現(xiàn)了許多模型預(yù)測控制的工程化軟件包。預(yù)測控制軟件包美國DMC公司的DMC；Setpoint公司IDCOM；Honeywell公司RMPCT；Aspen公司DMCplus；法國Adersa

公司PFC；加拿大TreiberControl公司的OPC。成功應(yīng)用于石油化工中的催化裂化、常減壓、連續(xù)重整、延遲焦化、加氫裂化等許多重要裝置。先進控制策略通過模型識別、優(yōu)化算法、控制結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)整定和有關(guān)穩(wěn)定性和魯棒性研究，基于模型控制的理論體系已基本形成，并成為應(yīng)用最成功、最具前途的先進控制策略。先進控制的發(fā)展智能控制：人工控制的長足進步，在許多科學和工程領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。就過程控制而言，(1)專家系統(tǒng)：可在工業(yè)過程故障診斷、監(jiān)督控制、檢測儀表及控制回路有效性檢驗等方面獲得成功應(yīng)用；(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：復(fù)雜非線性過程的建模，過程軟測量和控制系統(tǒng)設(shè)計；(3)模糊控制：表示確定性和不確定性兩類混合系統(tǒng)，有效提煉經(jīng)驗使之成為知識進而改善已有的控制。非線性控制：工業(yè)過程內(nèi)在的非線性，如PH值中和過程，基于線性模型的處理方法很難奏效，近年來，基于非線性模型（機理和經(jīng)驗）的控制有了較大的發(fā)展。非線性控制尚屬于開發(fā)中的先進控制策略。魯棒控制：魯棒性是體現(xiàn)系統(tǒng)性能的重要指標，模型與實際過程有差別時，控制品質(zhì)的變化情況。經(jīng)典理論中穩(wěn)定裕度反應(yīng)系統(tǒng)魯棒性?，F(xiàn)代控制理論為魯棒性的分析提供了更多的方法，預(yù)期是魯棒控制器單獨提出之后，這一領(lǐng)域研究一直是控制理論界的研究熱點，并逐漸成為一個獨立分支。與其說魯棒控制是一種控制策略，倒不如說它是一種控制器，設(shè)計