第8章先进过程控制技术课件.pptVIP

第 8 章 先进过程控制技术 8.1 概述 8.2 自适应控制 * 过程控制系统与仪表 第8章 从40年代开始至今，采用PID控制规律的单回路系统一直是过程控制领域最主要的控制系统，单回路系统主要采用经典控制理论的频域分析方法进行控制系统的分析和设计。PID控制算法简单、有效，可以实现一般生产过程的平稳操作与运行。但单回路PID控制并不适用于特性复杂的被控过程，不能满足生产工艺的特殊需要和高精度控制的要求。 从50年代开始，过程控制领域陆续出现了串级、比值、前馈、均匀和Smith预估控制等控制系统，即所谓的复杂控制系统，这些系统在一定程度上满足了复杂生产过程、特殊生产过程工艺以及高精度控制的需要。 从60年代初期逐渐发展起来的以状态空间为基础的现代控制理论日趋完善，形成了状态反馈、状态观测、最优控制等一系列多变量控制系统的设计方法，对自动控制技术的发展起到了积极的推动作用。但在生产过程控制中的应用却没有收到预期的效果。这是因为：1、现代控制理论的设计方法必须依据被控过程准确的数学模型，但生产过程往往难以用简单而精确的数学模型描述；2、有些过程具有 非线性、时变性、耦合性和不确定性等特点，即使做了大量简化得到线性定常模型，并求出某些高等控制策略，但由于这些控制策略的结构和算法往往十分复杂，在实施中难以准确实现而无法达到预期的效果。 随着过程工业日益走向大规模、复杂化，对生产过程的控制品质要求越来越高，出现了许多过程、结构、环境和控制均十分复杂的生产系统，出现了先进过程控制APC（亦称高等过程控制）的概念。关于先进过程控制，目前尚无严格而统一的定义。习惯上将那些不同于常规单回路PID控制，并具有比常规PID控制更好控制效果的控制策略统称为先进过程控制，如自适应控制、预测控制、专家控制、模糊控制、神经网络控制、推理控制等都属于先进控制。 相比于传统的控制技术，先进控制技术有以下特点： 1、先进控制的控制策略与传统的PID控制不同； 2、先进控制通常用于实现复杂被控过程的自动控制； 3、先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持平台。 本章简要介绍近年来出现的典型先进控制，这些控制方法在复杂工业过程控制中得到了成功的应用，受到工程界的欢迎和好评。 前面讨论的控制系统设计和控制器参数整定，都是在假定被控过程特性呈线性、模型参数固定不变的条件下进行的，但在实际生产中，被控过程的数学模型参数会随着生产的不断进行发生变化。为了保证控制品质，当对象特性发生变化时应该重新整定控制器参数。采用常规PID控制不能很好地适应过程特性参数的变化，导致控制品质下降，产品产量和质量不稳定。有一种控制系统，它能根据被控过程特性变化情况，自动改变控制器的控制规律和可调参数，使生产过程始终在最佳状况下进行，这称为自适应控制系统。 自适应控制系统应该具有以下基本功能： 1、辨识被控对象的结构、参数和性能指标的变化，建立被控过程的数学模型，或确定当前的实际性能指标； 2、能根据条件变化，选择合适的控制策略或控制规律，并能自动修正控制器的参数，保证系统的控制品质，使生产过程始终在最佳状况下进行。 根据设计原理和结构的不同，自适应控制系统可以分为两大类，即自校正控制系统和模型参考自适应控制系统。 需要指出：作为自适应的自行修正的控制器决不是常规的PID控制器，而是一种其参数允许用外加信号进行调整的控制器。 8.2.1 自校正控制系统 自校正控制系统的原理如图所示。 它是在简单控制系统的基础上，增加一个外回路，外回路由参数辨识环节和控制器参数计算环节组成。被控过程的输入信号 和输出信号 送入对象参数 辨识环节，在线辨识出被控过程的数学模型，控制器参数计算环节根据辨识得到的数学模型设计控制律，计算和修改控制器参数，使对象特性发生变化时，控制系统性能仍保持或接近最优状态。自整定控制器就是采用这种原理实现PID参数的在线自整定。 根据生产过程的特点，采用不同的辨识算法、控制规律以及参数计算方法可设计出各种类型的自整定控制器和自校正控制系统。 8.2.2 模型参考自适应控制系统 在生产过程中，过程的结构参数（ ）经常会发生变化，此时采用模型参考自适应控制方法尤为合适，这种方法适用于过程模型 的结构参数变化的场合。 一、静态增益变化的模型参考自适应控制 有些工业生产过程，如热交换器、PH控制过程、成分过程等，其静态增益经常会发生变化，导致系统衰减条件发生变化。模型参考自适应控制系统可以通过对调整环节系数A的修改，自动维持整个开环静态增益的稳定。 这种系统不需要专门的在线辨识装置，调整控制系统控制规律和参数的依据是被控过程输出y(t)相对于理想模型输出ym(t)的广义偏差e(t)。通过调整控制规律和参数，使系统的实际输出