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1、精选优质文档-倾情为你奉上先进控制系统在工业生产过程中,一个良好的控制系统不但要保护系统的稳定性和整个生产的安全 性,满足一定约束条件,而且应该带来一定的经济效益和社会效益,然而设计这样的控制 系统会遇到很多困难,特别是复杂工业过程往往具有不确定性(环境结构和参数的未知性, 时变性,随机性,突变性),非线性,变量间的关联性以及信息的不完全性和大纯滞后性等, 要想获得精确的数学模型十分困难.因此,对于过程控制系统的设计,已不能采用单一基 于定量的数学模型的传统控制理论和控制技术,必须进一步开发高级的过程控制系统,研 究先进的过程控制规律,以及将现有的控制理论和方法向过程控制领域移植和改造等方面
2、受到越来越多的控制界的关注. 世界各国在加强建模理论,辨识技术,优化控制,最优控制,高级过程控制等方面进 行研究,推出了从实际工业过程特点出发,寻求对模型要求不高,在线计算方便,对过程 和环境的不确定性有一定适应能力的控制策略和方法,如自适应控制系统,预测控制系统, 稳健控制系统,智能控制系统等先进控制系统.对于含有大量不确定性和难于建模的复杂 系统,基于知识的专家系统,模糊控制,人工神经网络控制,学习控制和基于信息论的智 能控制等应运而生,它们在许多领域都开始得到了应用,成为自动控制的前沿学科之一. 由于变量间的关联,使系统不能正常平稳运行,出现各类解耦控制系统.对于大纯滞后系 统自 195
3、7 年史密斯提出 Smith 预估补偿器以来,又相继出现了各种改进 Smith 预估补偿方 法,如观测补偿器控制方案,内模控制,双控制器,达林控制算法,纯滞后对象采样控制 等,但均尚未完全真正解决.人们还在继续努力想方设法寻求解决办法.针对信息不完全 性出现了推断控制系统和软测量技术.本章就目前应用较多且取得经济效益的预测控制, 软测量技术发展及应用等方面作一些简单介绍,以推动先进控制技术的应用. 先进控制是对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 的控制策略的统称,而非专指某种计算机控制算法.这些控制策略的先进性在于它们目前 在工业过程中尚很少使用.尽管先
4、进控制的定义并不严格和统一,但是先进控制的任务确 是十分明确的,即用来处理那些采用常规 PID 控制效果不好,甚至无法控制的复杂工业过 程控制问题.先进控制最大的特点就是可以带来丰厚的回报.以石油化工为例,一个先进 控制项目的年经济效益在百万元以上,其投资回收期一般在一年以内. 先进控制的特点如下所述. (1) 与传统的 PID 控制不同,先进控制是一种基于模型的控制策略,如预测控制和推 断控制.目前,基于知识的控制,如智能控制和模糊控制,正成为先进控制的一个重要的 发展方向. (2) 先进控制通常用于处理复杂的多变量过程控制问题,如大时滞,多变量耦合,被 控变量与控制变量存在各种约束的过程控
5、制等.先进控制是建立在常规单回路控制之上的 动态协调约束控制,可使控制系统适应实际工业生产过程的动态特性和操作要求. (3) 先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持平台.由于先进控制受控制算法的第5章先进控制系统269复杂性和计算机硬件两方面因素的影响,早期的先进控制算法通常是在上位机上实施的. 随着 DCS 功能的不断增强, 更多的先进控制策略可以与基本控制回路一起在 DCS 上实现. 后一种方式可有效地增强先进控制的可靠性,可操作性和可维护性.从全厂综合自动化的 角度看,先进控制恰好处在承上启下的重要地位.性能良好的先进控制是在线优化得以有 效实施的前提,并进而可将企业领导者的经营决策,
6、生产管理和调度的有关信息及时落实 到各生产装置的实际运行中,并可真正实现全厂的综合优化控制.作为一个整体,先进控 制系统应该包括从数据采集处理,数学模型建立,先进控制策略到工程实施的全部内容. 应用先进控制技术可以取得如下结果. (1) 保证装置平稳操作,大大减少方均差. (2) 实现产品质量卡边操作,提高目标产品的收率,显著提高经济效益. (3) 降低能耗,提高处理量,全面提高工艺装置的自动控制水平和整体经济效益. (4) 能保证物理过程和化学反应的条件, 在线寻找和实现最优的生产条件, 是实现 安, 稳,长,满,优的有力工具. (5) 实践证明, 先进控制是在现有装置和 DCS 基础上挖潜
7、增效的一种有效的技术手段, 具有投资少,见效快以及有利于提高资源利用率的特点,其经济效益和社会效益显著,是 一项值得开发应用的高新技术.5.1系统关联与解耦控制随着工业的发展,生产规模越来越大,在一个过程控制系统中,被控量和控制量往往 不止一对,这就需要设置若干个控制回路,才能对生产过程中的多个被控量进行准确,稳 定地控制.在这种情况下,多个控制回路之间就有可能存在某种程度的相互影响,这种影 响称为控制系统的关联或耦合.这样的相互耦合可能妨碍各被控变量和控制变量之间的独 立控制,严重时甚至会破坏各系统的正常工作. 为了消除或减小控制回路之间的这些影响,有的可以采用被控变量和控制变量的适当 匹配
8、或重新整定调节器的方法.但对于关联较为严重的系统,则一般采用附加补偿装置, 用以解除系统中各控制回路之间的耦合关系.通过对这些联系进行整定,使每个控制变量 仅对与其配对的一个被控变量发生影响,而对其他的被控变量不发生影响,或者影响很小, 使各被控变量和控制变量的相互耦合消除或大为减少,把具有相互关联的多参数控制过程 转化为几个彼此独立的单输入/单输出控制过程来处理,实现一个调节器只对其对应的被控 过程独立地进行调节. 5.1.1 系统耦合及对控制过程的影响现以两对变量为例来分析说明系统的耦合现象及其对控制过程的影响.图 5.1 为一个 精馏塔温度控制系统.图中被控量为塔顶温度 T1 和塔底温度
9、 T2;控制量为回流量 L 和加热 蒸汽流量 QH .T1C 为塔顶温度控制器(传递函数用 Gc1 表示),它的输出 u1 控制回流调节阀, 调节塔顶回流量 L,从而实现对塔顶温度 T1 的控制.T2C 为塔底温度控制器,它的输出 u2 控制再沸器加热蒸汽调节阀,调节加热蒸汽流量 QH,实现对塔底温度 T2 的控制.显然, u1 的变化不仅影响 T1,还会影响 T2;同样,u2 的变化在影响 T2 的同时,还会影响 T1.很 显然,两个控制回路之间存在耦合关系.269270过程控制与自动化仪表图 5.1 精馏塔温度控制系统当塔顶温度 T1 稳定在设定值 T10,如果某种干扰使塔底温度 T2 偏
10、离设定值 T20 降低, 塔底温度控制器 T2C 的输出 u2 将发生变化,使蒸汽调节阀开大,增加加热蒸汽流量 QH , 期望塔底温度 T2 升高并回到 T20.当加热蒸汽流量 QH 增加时,通过再沸器使精馏塔内的上 升蒸汽流量增加,又会导致塔顶温度 T1 升高.当塔顶温度 T1 升高而偏离其设定值 T10 时, 塔底温度控制器 T1C 的输出 u1 改变,使回流调节阀开大,增加回流量,期望塔顶温度 T1 降低并回到 T10.当回流量增加时,不但塔顶温度 T1 降低,也会导致塔底温度 T2 降低;塔 底温度控制器 T2C 的控制作用与此时塔顶温度控制器 T1C 增加加热蒸汽流量 QH ,期望塔 底温度 T2 升高并回到设定值是矛盾的.如果这种耦合严重,将影响系统的正常运行.专心-专注-专业