[控制的基本过程及有效控制]《过程控制》整理

2021春《过程控制》整理

1. 过程的分类

a) 连续过程：上道工序生产出一单位的中间品即向下转移的生产方式。生产过程中的各种变量在稳态条件下连续进行着物理化学反应、物质能量的转换或传递。例如，石油化工。

b) 批量（间歇）过程：生产过程有间断，不连续。小批量、多品种，批次重复运行。例如，芯片制造、高铁、生物制药。

c) 离散过程：产品是由许多零件构成的，各零件的加工装配过程彼此是独立的，整个产品的生产工艺是离散的，制成的零件通过部件装配和总装配，最后成为成品。例如，机械制造、电子设备制造、汽车生产。

2. 过程控制的定义：针对连续或间歇过程中的温度、压力、流量、液位、化学成分（如产品成分、含氧量）、物性参数（如粘度、熔融指数）等变量而实现的自动控制系统，使其保持恒定或按一定规律变化，克服干扰，满足性能指标要求。

3. 被控参数的种类

a) 直接参数：温度、压力、流量、液位、成分、物性。

b) 间接参数：热值、燃烧效率、生产效率、生产能耗、生产成本。

4. 过程控制系统的要求（安稳长满优）

a) 安全性：确保人身和设备安全，实现安全运行。

b) 稳定性：保持生产过程长期稳定运行。

c) 经济性：生产成本最少而生产效率最高。

5. 过程控制的内容：自动检测、自动监视、自动识别、自动调节、顺序控制、自动保护。

6. 过程控制系统同的重要术语

a) 被控变量（Controlled Variable, CV, ）：工艺过程希望稳定在某一期望值的变量或工艺参数。

b) 设定值（Setpoint, SP, ）：被控变量的期望值，是控制器输入比较器的基准。

c) 操作变量（Manipulated Variable, MV, ）：控制系统直接可操作，并用于使被控变量保持在其设定值的其他工艺变量，通常是流量。

d) 扰动变量（Disturbance Variable, DV, ）：任意可能导致被控变量偏离其设定值的、该控制系统本身又无法干预的各种因素。

e) 控制器输出值（Controller Output Value, COV, ）：控制器经过计算得到的数值，通过执行机构驱动操作变量。

7. 过程控制系统的设计目标：对于任意的外部干扰（DV），通过调节操作变量（MV）以使被控变量（CV）维持在设定值（SP）。

8. 过程控制系统的性能指标：稳定性、准确性和快速性。评价过程控制系统的性能，主要看在受到外来干扰或者设定值发生变化之后，是否能够迅速、准确和平稳地恢复设定值或附近。

9. 过程控制系统的类型

a) 被控参数：温度、压力、流量、液位、成分等。

b) 被控量数量：单变量控制系统、多变量控制系统。

c) 信号方式：模拟控制系统、数字控制系统。

d) 控制器类型：常规仪表控制系统、计算机控制系统、DDC、DCS、FCS。

e) 控制策略：PID控制、预测控制、推理控制、模糊控制、Smith预估控制、自适应控制。

f) 结构特点：单回路反馈控制、串级控制、前馈控制、比值控制。

g) 设定值形式：定值控制、随动控制、程序控制。

10. 过程控制系统的特点

a) 过程控制属于慢过程参量控制，多为连续生产过程。阶跃响应曲线通常为单调曲线，不是振荡的。

b) 被控过程多种多样。

c) 控制方案十分丰富。

11. 控制系统设计与实施的主要步骤

a) 确定控制目标。

b) 选择被控变量。

c) 选择操作变量。

d) 分析主要扰动。

e) 确定控制方案：包括控制系统结构和控制算法。

f) 选择控制系统的软硬件：包括测量仪表、执行器、计算机及其接口。

g) 控制设备的现场安装与调试。

12. 常见英文缩写

a) DDC: Direct Digital Control（直接数字控制）

b) PLC: Programmable Logic Controller（可编程逻辑控制器）

c) DCS: Distributed Control System（集散控制系统）

d) FCS: Fieldbus Control System（现场总线控制系统）

e) NCS: Networked Control System（网络化控制系统）

f) CIMS: Computer/contemporary Integrated Manufacturing System（计算机/现代集成制造系统）

g) CIPS: Computer Integrated Process (Production) System（计算机集成过程控制系统）

1. 控制系统的控制性能主要取决于系统的结构、控制器参数和被控对象的特性。被控对象、执行器和变送器组成广义的被控对象。

2. 自衡过程：开环情况下，过程在扰动或输入作用时，平衡状态被破坏，依靠自身的能力，被控量逐渐达到新的平衡，具有自平衡能力。

3. 为什么实际应用中通常将自衡过程等效为一阶惯性环节加纯延迟模型？

a) 从控制的角度看，它捕获了过程动态行为的核心特征。

b) 当控制器输出变化时，它较准确地描述了被控变量响应的方向、大小、快慢和纯滞后，这些特征对于控制重要且够用。

c) 特征参数数量少，便于控制器的参数整定。

4. 迟延

a) 传输迟延：由传输距离造成的信号迟延。

b) 容积迟延：由于前置容积的存在而引起的迟延。

5. 机理法建模：根据生产过程中实际发生的物理化学变化机理，写出各种有关的平衡方程，反映物体运动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程，以及物性参数方程，某些设备的特性方程等，从而获得所需的模型。

6. 机理建模的三种衡算

a) 质量衡算：依据质量守恒定律。

b) 能量衡算：依据能量守恒定律和热力学第一定律。

c) 动量衡算：依据动量守恒定律和牛顿第二定律。

7. 非线性的类型

a) 连续非线性：过程增益不是常数。

b) 离散非线性：死区、滞环、传输延迟、饱和、继电特性。

1. 简单控制系统结构：单变量、单回路

a) 结构简单、投资少、易于整定和投运；

b) 可满足一般生产过程的工艺要求；

c) 占控制回路的85%以上，应用广泛；

d) 适用于被控过程的纯滞后与惯性不大、负荷与干扰变化比较平稳或者工艺要求不太高的场合。

2. 控制器的组成

a) 给定值设定机构

b) 偏差比较机构

c) 控制运算模块

3. PID控制的特点

a) 优点：原理简单、使用方便，适应性强、多种场合，鲁棒性强，不依赖被控对象的精确模型。

b) 缺点：难以用于复杂对象（大迟延、非线性、强耦合、多变量、时变），不同操作工况需要整定参数和维护，特别是以质量和工艺指标为控制指标难以控制。

4. 比例增益/比例带对性能指标的影响

a) 当 时，工作频率 加快，稳定性变差 ，稳态偏差 减小。

b) 对给定通道，当 时，引起最大动态偏差增大（前向放大倍数增大）。

c) 对扰动通道，当 时，引起最大动态偏差减小（由于控制作用强而有效抑制干扰）。

5. 比例控制器的作用：调整系统的过程增益，减小系统的稳态误差，提高系统的快速性，有时会导致系统的稳定性下降。

6. 积分控制器的特点

a) 无差控制：只要有偏差存在，控制器会一直调整输出，直到偏差为零。

b) 动作过程慢：积分环节有90°相角滞后，增加一个滞后环节，使过程变慢。

c) 积分作用对系统稳定性不利。

7. 积分速度/积分时间对性能指标的影响

a) 当 时，工作频率 加快，稳定性变差 ，若系统稳定，稳态偏差 。

b) 对给定通道，当 时，引起最大动态偏差增大（前向放大倍数增大）。

c) 对扰动通道，当 时，引起最大动态偏差减小（由于控制作用强而有效抑制干扰）。

8. 积分饱和：当设定值变化过大或有持续扰动时，积分作用持续积累，从而超过操作变量的范围，导致控制器饱和。

9. 抗积分饱和的措施

a) 积分动作由控制器输出通过惯性环节正反馈实现。

b) 控制器内部实现PI向P控制动作的自动切换。

10. 微分作用对系统性能指标的影响

a) 适当引入微分可提高系统稳定性。

b) 对稳态性能没有影响。

c) 当 时，工作频率 加快。

d) 如果过程测量噪声大（高频），微分作用则会放大噪声。

11. PID控制作用的总结

a) 比例控制器实际上相当于一个放大器， 减小系统的稳态误差，提高系统的快速性， 但是它会影响系统的稳定性，有时会导致系统的稳定性下降。

b) 比例积分控制器实际上相当于滞后校正，消除静差，但系统稳定性下降。

c) 比例微分控制器实际上相当于超前校正，提高系统的稳定性，加快系统响应速度。

d) 比例积分微分控制器实际上相当于超前-滞后校正。理论上全面提高控制质量，但是会使得系统对干扰，尤其是高频噪声变得敏感。

12. 工程整定法的结论

a) 控制器增益和反馈回路中其他增益的乘积成反比： 。

b) 都应随着 的增大而减小，一般 取0.25。

c) 在P控制器中加积分作用，减小 ；加微分作用，增大 。

13. 动态特性参数法求得的比例增益稍大，稳定边界法求得的积分时间和微分时间稍大。

14. 气开阀和气关阀的选择原则：安全性，当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态或保证其经济性。保证生产安全，保证产品质量，降低原料和动力损耗，从介质特点考虑。

15. 调节阀的结构特性：节流面积与阀门开度的关系，取决于阀芯形状。

a) 直线：单位位移变化引起的流量变化时常数。在小开度工作时，控制作用强，容易引起超调，产生振荡；在大开度工作时，控制作用弱，控制不及时。对系统的自动控制不利。

b) 等百分比（对数）：阀杆的相对开度变化引起的相对流量的变化与该点的相对流量成正比。小开度时流量小，变化量也小，控制作用平缓；大开度时流量大，变化量也大，控制作用灵敏。对系统的自动控制十分有利。

c) 快开：小开度时，流量就较大，且很快达到最大值，适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。

d) 抛物线：介于直线和对数之间，较少使用。

1. 信号分类

a) 模拟信号：时间上连续，幅值上连续的信号。

b) 离散模拟信号：时间上离散，幅值上连续的信号。

c) 数字信号：时间上离散，幅值上量化的信号。

d) 量化模拟信号：时间上连续，幅值上连续量化的信号。

2. 数字控制器设计的基本步骤

a) 获得被控对象的脉冲传递函数 ；

b) 设计希望得到的误差 和输出脉冲传递函数 ；

c) 根据闭环传递函数公式得到控制器脉冲传递函数 。

3. 大林算法的设计目标：设计一个合适的数字控制器，使整个系统的闭环传递函数为带有原纯滞后时间的一阶惯性环节。消除余差、对纯滞后有补偿作用。

4. 直接数字控制是一种基本的计算机控制系统，是在仪表控制系统、操作指导控制系统和设定值控制系统的基础上逐步发展形成的。

5. 理想微分PID控制的不足

a) 微分作用只能维持一个控制周期。

b) 工业用执行机构（如气动调节阀或电动调节阀）的动作速度受到限制。致使偏差较大时，微分作用不能充分发挥。

6. 不完全微分算法的优点

a) 微分作用能维持多个控制周期。

b) 工业用执行机构，能比较好地跟踪微分作用输出。

c) 算式中含有一阶惯性环节，具有数字滤波的能力，因此抗干扰能力也较强。

d) 控制品质较好。

7. 数字PID控制算法的改进

a) 积分项的改进

i. 积分分离：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高精度。

ii. 抗积分饱和：只累加负的误差或正的误差。

iii. 梯形积分：提高积分项的精度。

iv. 消除积分不灵敏区：增加A/D转换位数，加长运算字长；累加误差。

b) 微分项的改进

i. 偏差平均：应对噪声。

ii. 测量值微分：消除复杂控制系统中给定值的扰动。

c) 变PID控制

i. 给定值改变的变PID控制

ii. 负荷改变的变PID控制

8. 控制周期的选取

a) 从系统控制品质要求看，控制周期应该短些。

b) 从执行机构的特性要求看，控制周期不宜过短，要适应执行机构的响应速度。

c) 从控制系统抗扰动和快速响应要求看，控制周期应该短些。

d) 从计算工作量和计算成本看，控制周期应该长些。

e) 控制周期应远小于对象的时间常数和扰动信号的周期。

9. 干扰的来源

a) 外部干扰：空间电场或磁场。

b) 内部干扰：分布电容和电感、长线传输的波反射、元器件产生的噪声。

10. 干扰的传播

a) 静电耦合

b) 磁场耦合

c) 公共阻抗耦合

11. 干扰的类型

a) 串模干扰：干扰与信号串联。措施：用双绞线引线、滤波。

b) 共模干扰：不同地线存在电位差。措施：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽。

c) 长线传输干扰：波反射。措施：采用始端或终端阻抗匹配。

1. 串级控制系统的结构

a) 串级控制系统和简单控制系统的区别：结构上形成两个闭环，串级控制系统多了一个变送器和一个控制器。

b) 主控制器的输出为副控制器的设定值，副控制器的输出送到调节阀。

c) 主回路是由主控制器、调节阀、主副被控过程、主变送器组成的闭合回路。副回路是由副控制器、副被控过程、副变送器组成的闭合回路。

d) 串级控制系统，就主回路来看是一个定值控制系统，就副回路来看是一个随动控制系统。在控制过程中，副回路起粗调作用，主回路起精调作用。

2. 串级控制系统的优点

a) 改善动态特性，提高系统的工作频率：副控制器的增益很大，等效时间常数减小，加快副回路的响应速度。

b) 对二次扰动有很强的克服能力（最突出的优点）：与单回路控制相比，被控量受二次扰动的影响往往可以降低到10%~1%。

c) 对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力：一方面，副对象增益或调节阀特性随负荷变化，对等效增益影响不大；另一方面，负荷变化时，主控制器将改变输出值，副回路能快速及时地跟踪。

3. 串级控制系统的设计

a) 主回路：将副回路等效成一个对象，按照单回路控制系统的原则进行。

b) 副回路

i. 副变量的选择应该是物理上可测的，并且使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。

ii. 副回路应该包含被控对象所受的主要扰动，同时考虑经济性。

iii. 时间常数匹配： 。若副回路用于克服强干扰、减小容量滞后、降低大时间常数的影响，比例应大些。若副回路用于克服对象的非线性，比例可小些。

c) 控制规律

i. 主控制器：PI、PID。主参数允许范围很小，无余差。

ii. 副控制器：P。副参数允许有余差。

1. 不引入积分：否则快速性变差。

2. 不引入微分：本身起快速作用，否则控制动作过大。

d) 整定方法

i. 两步整定法（主副过程时间常数相差较大）：先主后副，先比例后积分。

ii. 逐步逼近法（主副过程时间常数相差不大）

1. 主回路断开，整定副控制器。

2. 副回路作为主回路的一个环节，副控制器的参数已更新，整定主控制器。

3. 主回路闭环，主控制器的参数已更新，整定副控制器。

4. 串级控制系统的应用

a) 克服被控过程较大的容量滞后：选择一个滞后较小的副参数，组成一个快速动作的副回路。

b) 克服被控过程的纯滞后：在离调节阀较近、纯滞后较小的地方，选择一个副参数，构成一个纯滞后较小的副回路，把主要扰动包括在副回路中。

1. 前馈控制系统的概念

a) 前馈控制：按照扰动量的大小进行控制，扰动出现时，根据信号及时补偿扰动对被控量的影响，控制及时。没有涉及到被控量，控制量仅依赖扰动，是一种开环控制。

b) 不变性原理：控制系统的被控量与扰动量绝对无关或在一定准确度下无关。

i. 绝对不变性：扰动作用下，被控量在整个过渡过程中始终不变，动态偏差与稳态偏差均为零。

ii. 误差不变性：存在误差的绝对不变性，允许被控量存在一定的误差，工程上容易实现。

iii. 稳态不变性：被控量在稳态工况下与扰动量无关。

iv. 选择不变性：被控量往往受到若干个干扰影响，系统对其中主要干扰实现不变性。

2. 前馈控制的局限性

a) 扰动必须是可测的，扰动通道特性必须很准确。

b) 一种前馈只能克服一个扰动的影响。

c) 过程控制通道特性如果是非线性或时变的，就不能完全补偿扰动影响。

3. 前馈控制系统的结构

a) 动态前馈控制：适用于较复杂的系统，实现了完全补偿。

b) 静态前馈控制：P控制，只保证在稳态下补偿扰动作用。

c) 前馈-反馈控制：降低扰动对被控量的影响。

i. 前馈信号接到控制器后

ii. 前馈信号接到控制器前：前馈控制器不仅取决于扰动特性和过程特性，还与反馈控制器特性有关。

d) 前馈-串级控制：串级控制可抑制副回路的扰动影响，前馈控制可克服进入主回路的扰动，前馈信号接到主控制器后，副控制器前。当副回路的工作频率远大于主回路工作频率时，前馈补偿器的数学模型主要由系统扰动通道和主过程之比决定。

4. 前馈控制系统的选型：实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及不可控性：物料的化学组分、物理性质无法实现前馈控制。扰动量与控制量之间无相互影响，控制通道与扰动通道无关联，控制量无法影响扰动量。

5. 前馈控制系统的稳定性：只要反馈系统或串级系统是稳定的，相应的前馈-反馈或前馈-串级系统也是稳定的。

6. 前馈控制系统的工程整定：常将被控过程的控制通道及扰动通道处理成含有一阶或二阶容量时滞，必要时再上一个纯滞后的形式。

1. 滞后：纯滞后时间与时间常数比值 ，过程中相位滞后增加而超调增大，甚至会因为严重超调而出现事故，还会降低控制系统的稳定性。

2. 大滞后过程中现有算法的修正

a) 微分先行：微分环节的输出信号包括了被控参数及其变化速度值，将其作为测量值输入到比例积分调节器中，加强系统克服超调的作用。

b) 中间微分反馈：系统中的微分作用是独立的，能在被控参数变化时及时根据其变化的速度大小其附加校正作用，微分校正作用与PI调节器的输出信号无关，只在动态时起作用，而在静态时或在被控参数变化速度恒定时失去作用。

c) 微分先行和中间微分反馈比PID超调量小，但仍存在超调，响应速度慢。

3. 大滞后过程的预估补偿控制

a) Smith预估补偿原理：按照对象的动态模型，设计一个预估器并联在被控过程上，使其对过程的纯滞后特性进行预估（提早估计出对象的动态响应），将被延迟的被控量提前进入控制器，使控制器能提前动作。通过补偿装置，消除了纯滞后特性在闭环中的影响，可明显减少过程超调量，缩短过渡过程时间，加速调节过程。

b) Smith预估补偿控制系统的特征方程中不包含纯迟延项，完全补偿了纯滞后对控制器设计的不利影响，系统品质与被控过程无纯滞后完全相同。但闭环响应不能完全去除滞后。

c) Smith预估补偿消除了纯滞后对系统闭环稳定性的影响，却并没有消除纯滞后对干扰抑制过程的影响。

d) Smith预估补偿系统对设定值扰动的控制效果很好，对负荷扰动的控制效果有所改善。

e) Smith预估补偿系统对补偿模型的误差十分敏感，补偿效果取决于补偿器模型的精度。

4. 大滞后过程的采样控制

a) 当被控过程受到扰动而使被控参数偏离给定值时，即采样一次被控参数与给定值的偏差，发出一个控制信号，然后保持该控制信号不变。

b) 经过 时间后，由于控制信号的改变，被控参数必然有所反应，此时再按照被控参数与给定值的偏差及其变化方向与速度值来进一步加以校正， 校正后又保持不变，再等待一个纯滞后 。

c) 重复上述动作规律，一步一步地校正被控参数的偏差值，使系统趋向一个新的稳定状态。

d) 调一下、等一等是避免控制器进行因大滞后造成的过操作，控制作用弱一些、慢一些。以上动作规律若用控制器来实现，就是每隔 时刻动作一次的采样调节器。

1. 最优控制

a) 难以应用的原因

i. 精确的数学模型

ii. 工业对象不确定性大

iii. 控制量的幅值往往受限

iv. 算法复杂度要适中

b) 主要理论：动态规划、极大值原理

2. 先进控制

a) 基于数学模型、用计算机实现的控制方法

b) 广义：补偿控制（前馈、Smith、解耦）、自适应控制、多变量控制、非线性控制、分布参数控制、鲁棒控制、推理控制、内模控制、预测控制

c) 狭义：多变量预测控制

3. 预测控制

a) 类型：模型算法控制（MAC）、动态矩阵控制（DMC）等

b) 组成部分

i. 模型预测：根据内部离散模型预测未来的输出。

ii. 反馈校正：如果模型有失配时，预测会越来越偏，且扰动和噪声也会带来的预测误差，因此采用反馈校正技术，引入上一时刻的预测误差来校正预测值。

iii. 滚动优化

1. 参考轨迹：希望输出按一条事先规定的曲线逐渐达到设定值的曲线，常采用一阶滤波形式。参考轨迹能够减小过大控制作用，使系统的输出能平滑地达到设定值。参考轨迹的时间常数越大，系统的柔性越好，鲁棒性也越强，但控制的快速性变差。

2. 预测控制的目的是使系统的输出变量沿着事先规定的参考轨迹逐渐到达设定值。

3. 滚动优化是相对最优控制而言，它不是采取一个不变的全局优化目标，而是采取滚动式的有限时域优化策略。优化过程不是一次离线进行，而是反复在线进行。

4. 推理控制：对于扰动和输出均不可测量的过程，不得不采用控制二次输出的方法间接控制过程的主要输出。

5. 软测量

a) 软测量是把控制理论与生产工艺过程知识有机结合起来，应用计算机技术，对一些难测量或暂时不能测量的重要变量，选择另外一些容易测量的变量，通过构成某种数学关系来推断和估计，以软件来代替仪表功能。

b) 目的：

i. 产品质量是控制的主要目的。

ii. 质量指标往往不易实时获得。

iii. 推动了产品质量的直接闭环控制。

c) 工作原理：在常规检测的基础上，利用辅助变量与主导变量的关系，通过软件计算，得到主导变量的估计值。

d) 实质：建立辅助变量与主导变量的关系，从数学上讲就是一个建模问题。

e) 分类

i. 基于机理分析模型的软测量方法

ii. 基于实验模型的软测量方法

1. 基于状态空间模型的软测量方法

2. 基于回归分析的软测量方法

3. 基于人工神经网络、支持向量机的软测量方法

4. 基于工业大数据、深度学习算法