工业过程先进控制概述-石红瑞.ppt

1、工业过程先进控制概述石红瑞 13636526669控制科学与工程（一级学科，博士点）下设二级学科 控制理论与控制工程（博士点）模式识别与智能系统（博士点）检测技术与自动化装置（硕士点）系统工程（硕士点）导航制导一、过程控制（Process Control)的研究对象和任务工业自动化涉及的范围极广，过程控制是其中最重要的一个分支。1、研究对象：六大参数的工业控制问题温度(T)、压力(P)、液位(L)、流量(F)、成分和物性(A)。范围：石油、化工、冶金、电力、轻工、纺织等工艺工程。划分：连续过程、间歇过程或称批量过程（Batch Process)典型被控对象（过程）：物料贮存（液体贮存）热量或质

2、量交换（换热器、精馏塔等）化学反应设备，如连续槽反应器CSTR(Continous Stirred-Tank Reactor)2、任务 在了解和掌握生产过程、工艺流程静动特性的基础上，应用控制理论对过程控制系统进行分析和综合，即方案设计，最后采用适宜的技术加以实现。（自动控制系统的设计和实现）要求：安全性、经济性和稳定性。安全型：报警和联锁保护系统(ESD)经济性：节能降耗、环境保护 稳定性：抑制干扰、长期稳定运行3、过程控的体系结构 控制理论仪表与计算机过程控制系统过程(对象)4、过程控制系统的组成控制器C(s)执行器 Gv(s)对象Gp(s)测量变送器Gm(s)指令信号(设定值)测量噪声干

3、扰信号被控参数扰动TC换热器温度控制系统加热蒸汽被加热介质（德国）（德国）20202020自动化技术是下列技术：自动化技术是下列技术：电子电气技术电子电气技术（Electronic Electric,EEElectronic Electric,EE）机电一体化技术机电一体化技术 生产工艺流程生产工艺流程 计算机和计算机和ITIT技术技术 传感器和变送器传感器和变送器 驱动和执行系统驱动和执行系统 通信技术的综合通信技术的综合自动化控制系统是运用和应用自动化技术自动化控制系统是运用和应用自动化技术、产产品和工具构成一个完整的针对流程和生产过品和工具构成一个完整的针对流程和生产过程的解决方案。程的

4、解决方案。二、过程控制系统的发展1、被控对象（生产过程）简单-复杂-大型-连续-优化生产过程（卡边：优质、高产、低能耗）对象特性：非线性、时变、分布参数、多变量耦合、滞后等2、控制理论的发展40：经典控制理论系统描述：传递函数 分析设计方法：根轨迹、Bode图研究对象：SISO、线性定常控制方案：PID、串级、前馈等经典控制理论亦称古典频域方法6070，现代控制理论核心：状态空间内容包括：以最小二乘法为基础的系统辨识；以极小值原理和动态规划为核心的最优控制；以Kalman 滤波理论为核心的最佳估计。采用Kalman 滤波器的随机干扰下的线性二次型系统(LGQ)宣告时与方法的完成。研究对象：MI

5、MO、线性时变 研究内容：可控性、可观性、实现问题、典范型、分解理论、稳定性理论 使控制由一类工程设计方法提高到新的科学-控制科学。相继出现了系统辨识与参数估计、随机控制、自适应控制、鲁棒控制等。航空、航天、制导成绩辉煌，复杂工业过程无能为力。8090，大系统理论与智能控制大系统理论：控制理论广度挖掘研究大系统的分解及各子系统的协调，多级递解与优化控制。智能控制：控制理论深度开阔模拟人类智能，模拟人脑的神经体液系统、人脑对模糊变量的处理能力。内容包括：神经网络、模糊控制、专家系统21，网络控制 基于网络的控制系统是指传感器、控制器、执行器等通过实时网络构成闭环的反馈控制系统。其特征是系统各组件

6、之间可以通过网络交换信息 研究基于网络的控制系统的各种性能。如：网络络控制系统的时延分析；网络控制系统的稳定性分析；网络控制系统的能控性和能观性；网络控制系统的状态估计；网络控制系统的随机状态反馈。工业过程控制理论频域时域系统描述传递函数（非线性线性化）状态方程（连续离散化）离散状态方程控制系统设计方法描述函数 根轨迹相平面 伯德图 奈氏判据优化控制极点配置动态规划黎卡提方程控制器PID控制前馈、串级解耦Smith自整定PID多变量控制器状态观测器 Kalman滤波器内模控制预测控制模型参考自适应(鲁棒控制)系统辨识(建模方法)频率响应瞬态响应相关分析最小二乘广义最小二乘极大似然法多变量频域随

7、机过程非线性系统3、检测控制仪表的发展 50，基地式仪表（电子真空管），自力式温度调节，就地式液位控制 60，单元组合（气动、电动）QDZ：0.020.1MPa 标准信号 DDZ：010mA标准信号 DDZ：420mA、15V 标准信号DDZ仪表与数字调节器70,计算机控制系统 集散控制系统DCS(Distributed Control System)可编程序控制器PLC(Programmable Logic Controller)数字调节器（早期称单回路调节器）工业控制计算机DCS的演变DCS体系结构横河CS3000DCS的体系结构Siemens AB PLC控制系统工工程程师师站站操操作作

8、工工站站操操作作工工站站电电源源处处理理器器适适配配器器冗冗余余模模块块电电源源处处理理器器适适配配器器冗冗余余模模块块电电源源适适配配器器I I/O OI I/O O电电源源适适配配器器I I/O OI I/O O电电源源适适配配器器I I/O OI I/O OS S隔隔离离配配电电器器W WT TA AI IA AO OS SD DO OD DI I继继电电器器M M开开关关M M保保险险远远程程I I/O O远远程程I I/O O远远程程I I/O O打打印印服服务务器器打打印印机机局局域域网网C Co on nt tr ro ol lN Ne et t保保险险P PT T生生产产现现场

9、场控控制制柜柜间间操操作作室室信信号号线线图图3 3-5 5：控控制制系系统统构构成成图图冗冗余余通通信信C CP PU UA Ad da ap pt to or r打打印印机机丁基生产线工艺流程窗口 报警汇总和事务日志窗口XV603P1气动开/关阀的顺序和安全联锁梯形图程序90，现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)国际电工技术委员会IEC和美国仪表协会ISA定义：“现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分枝结构的通讯网络；关键标志：支持双向、多节点、总线式的全数字通信。”关键技术：智能现场仪表与通讯网络。现场总线控制系统FCS的主要特

10、征1.数字通讯代替420模拟传输，数字通讯网络延伸到工业过程现场；2.智能现场设备：智能变送器完成测量、变送基本功能，还具有自诊断、报警，再现标定、PID调节、信号处理、通信等功能，可实现多参数传感变送器。3.开放的互联网络：协议公开、互操作性、互用性。4.系统结构的高度分散性：总线仪表集检测、运算、控制于一体，把DCS控制站的功能分配给现场仪表，构成一种全分布式控制系统体系结构。“开放性、分散性与数字通信”是现场总线最显著的特征。更好地体现“信息集中、控制分散的思想。”FCS与传统PLC 配置方式的比较FCS对计算机控制系统的影响 传统的计算机控制系统一般采用DCS结构。在DCS中，对现场信

11、号需要进行点对点的连接，并且I/O端子与PLC或自动化仪表一起被放在控制柜中，而不是放在现场。这就需要铺设大量的信号传输电缆，布线复杂，既费料又费时，信号容易衰减并容易被干扰，而且又不便维护。DCS一般由操作员站、控制站等组成，结构复杂，成本高。而且DCS不是开放系统，互操作性差，难以实现数据共享。而基于PC的FCS则完全克服了这些缺点。（1）在FCS中，借助于现场总线技术，所有的I/O模块均放在工业现场，而且所有的信号通过分布式智能I/O模块在现场被转换成标准数字信号，只需一根电缆就可把所有的现场子站连接起来，进而把现场信号非常简捷地传送到控制室监控设备上，降低了成本，又便于安装和维护，同时

12、数字化的数据传输使系统具有很高的传输速度和很强的抗干扰能力。（2）FCS具有开放性。在FCS中，软件和硬件都遵从同样的标准，互换性好，更新换代容易。程序设计采用IEC1131-3五种国际标准编程语言，编程和开发工具是完全开放的，同时还可以利用PC丰富的软硬件资源。（3）系统的效率大为提高。在FCS中，一台PC可同时完成原来要用两台设备才能完成的PLC和NC/CNC任务。在多任务的Windows NT操作系统下，PC中的软PLC可以同时执行多达十几个PLC任务，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在线调试和仿真功能，极大地改善了编程环境。八种现场总线列为国际标准1、Type 1 基金

13、会总线基金会总线FF 低速总线H1,用于现场级，能够通过总线为现场仪表供电，并支持带总线供电设备的本质安全 高速总线H2，主要用于过程控制级、远程I/O和其他高速数据传输的应用。Type1 FCS结构示意图网关管理层PC网络服务器操作站H2(HSE)EthernetTCP/IPPLC等其他控制站网桥H1低速现场总线2、Type2 现场总线-ControlNet ControlNet现场总线，技术基础Rockwell Automation Rockwell自动化网络总称Netlinx，具有三层网络结构：信息层(Ethernet)、控制层(ControlNet)和设备层(DeviceNet)。3、

14、Type3 现场总线-PROFIBUS 德国西门子公司是PROFIBUS产品的主要供应商，PROFIBUS为现场总线的欧洲EN50170标准的第二部分。PROFIBUS是一种车间级监控和现场设备级数据通讯的现场总线技术，有三个兼容部分组成：PROFIBUS-DP PROFIBUS-FMS PROFIBUS-PA 利用PROFIBUS总线构成的系统体系结构大致可分为现场级、车间级和工厂及三层，现场级采用PROFIBUS-DP 或PROFIBUS-PA现场总线，车间级采用PROFIBUS-FMS，工厂级使用Industrial Ethernet。4、Type4 现场总线 Type 4 现场总线得到

15、了P-NET(Process automation NET)用户组织的支持。P-NET是丹麦Process-Data Sikebory Aps从1983年开始开发，主要用于啤酒、食品、农业和饲养业，现已成为欧洲EN50170标准的第二部分。5、Type5 现场总线 Type5 现场总线即为IEC定义的H2总线，它由Fieidbus Foundation现场总线基金会组织负责开发，并于1998年全面采用已广泛应用于IT产业的高速以太网HSE(High Speed Ethernet)标准。6、Type6 现场总线 SwiftNet是IEC61158中的第六种现场总线国际标准，它由美国SHIP ST

16、AR协会主持制定，得到美国波音公司的支持，主要用于航空和航天等领域。该总线的特点是结构简单、实时性高，通信协议仅包括了物理层和数据链路层，在标准总没有定义应用层。7、Type7现场总线 成立于1987年的WorldFIP协会制定并大力推广Type7现场总线，WorldFIP协议现已成为欧洲EN50170标准的第三部分。8、Type8现场总线 Interbus 现场总线由德国 Phoenix Contact公司开发，得到了Interbus俱乐部支持。它是一种串行总线系统，适用于分散输入/输出，以及不同类型控制系统间的数据传送。9、其他类型现场总线 HART协议，用于现场智能仪表和控制是设备间通信

17、的一种开放协议，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，其特点是在现有模拟信号传输线上实现狮子信号通信。HART协议最早由Rosemount公司开发并得到E+H，Moor,AB,Siemens,Smar和横河等许多著名仪表公司的支持。LonWorks总线LonWorks技术的核心是具备通讯和控制功能的Neuron芯片,它实现了完整的LonWorks的LonTalk协议，由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。神经元芯片上集成有介质访问处理器、网络处理器和应用处理器三个位CPU。CAN(Controller Area Network)控制局域网CAN最早是由德国Bosch公司推出，用于汽车

18、内部测量与执行部件之间的数据通信协议。得到了Motorola、Intel、Philips、NEC等公司的支持，已广泛应用于离散控制领域。4、过程控制系统的发展1.生产装置实施先进控制成为发展主流70 DCS：PID/SISO，联锁保护80多变量预测控制为代表的先进控制策略的成功提出和应用2.过程优化备受关注 连续生产过程中，上游-下游整个生产装置间的物流分配、物料平衡、能量平衡通过优化获得最佳经济效益3.传统DCS在走向国际统一标准的开放体系 DCS不兼容-FiedBus控制系统4.综合自动化系统(CIPS)是发展方向 三、先进控制APC(Advanced Process Control)对于

19、那些不同于常规单回路PID控制，且具有比常规PID控制更好的控制效高的控制策略。先进性：在于它们目前在工业生产过程中尚很少使用，内涵丰富，带有较强的时代特征。任务明确：用于处理那些常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程。经济效益显著：乙烯装置，投资163万美元实施先进控制，完成后预期效益600万美元年。控制理论的发展为先进控制奠定了应用理论基础，计算机系统为先进控制提供了强有力的硬件和软件平台。先进控制的发展现状 自40开始至今，采用PID控制律的SISO简单反馈控制回路已成为过程控制的核心系统，即便是大量采用DCS的最现代化工业生产过程，这类回路仍占8090%。PID是对人的简单而有效

20、操作方式的总结与模仿，足以维护一般工业工程的聘问操作和运行，历史悠久，工业界较熟悉，且易接受。50串级、比值、前馈、均匀、Smith 鱼骨等复杂控制系统，满足了单变量控制系统的特殊要求，仍是经典控制理论，结构和应用各有特色，目前仍在继续改进和应用。仍有1020%的过程，上述策略无法奏效，强耦合、不确定、非线性、大纯滞后等特性，且为生产过程的核心部分，直接关系到产品的质量、产率、消耗。随着工业生产日益走向大型化、连续化、对工业生产工程控制的品质提出了更高的要求，控制与经济效益的矛盾日益尖锐，迫切需要一类先进的控制策略。以状态空间方法为主体的现代控制理论用于工程控制的困惑：除多变量控制策略自身的不

21、足外，尚有解耦控制在约束处理和控制变更是缺乏灵活性；工业过程的复杂性使得建立正确的数学模型较困难；控制理论所需数学基础限制了它为过程控制界所接受。80前后，来自过程控制界的两位探索者J.Richalet和C.R.Cutler分别报道了解决实时动态环境下带约束多变量耦合系统的控制问题，模型预测启发控制(MPHC)和动态矩阵控制(DMC)。自80后，出现了许多模型预测控制的工程化软件包。预测控制软件包 美国DMC公司的DMC；Setpoint公司IDCOM；Honeywell 公司RMPCT；Aspen公司 DMCplus；法国Adersa 公司PFC；加拿大Treiber Control 公司的

22、OPC。成功应用于石油化工中的催化裂化、常减压、连续重整、延迟焦化、加氢裂化等许多重要装置。先进控制策略通过模型识别、优化算法、控制结构分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒性研究，基于模型控制的理论体系已基本形成，并成为应用最成功、最具前途的先进控制策略。先进控制的发展智能控制：人工控制的长足进步，在许多科学和工程领域取得了广泛的应用。就过程控制而言，(1)专家系统：可在工业过程故障诊断、监督控制、检测仪表及控制回路有效性检验等方面获得成功应用；(2)神经网络：复杂非线性过程的建模，过程软测量和控制系统设计；(3)模糊控制：表示确定性和不确定性两类混合系统，有效提炼经验使之成为知识进而改善已有的控

23、制。非线性控制：工业过程内在的非线性，如PH值中和过程，基于线性模型的处理方法很难奏效，近年来，基于非线性模型（机理和经验）的控制有了较大的发展。非线性控制尚属于开发中的先进控制策略。鲁棒控制：鲁棒性是体现系统性能的重要指标，模型与实际过程有差别时，控制品质的变化情况。经典理论中稳定裕度反应系统鲁棒性。现代控制理论为鲁棒性的分析提供了更多的方法，预期是鲁棒控制器单独提出之后，这一领域研究一直是控制理论界的研究热点，并逐渐成为一个独立分支。与其说鲁棒控制是一种控制策略，倒不如说它是一种控制器，设计思想，它可用于各种控制器的设计与整定。苦帮控制在过程工业中应用甚少，其原理过于复杂，尤其是对于多变量

24、控制系统。是先进控制具有鲁棒性是今后重要的发展方向。过程控制策略的划分过程控制专家D.E.Seborg关于过程控制策略的划分一、传统控制策略：手动、PID、比值、串级、前馈二、先进控制-经典技术：增益调整、时滞补偿、解耦三、先进控制-流行技术：模型预测、内模、自适应四、先进控制-潜在技术：LQG(最优)、专家系统、神经网络、模糊控制、非线性控制五、先进控制-研究中的策略：鲁棒控制、先进控制的核心内容作为一个整体，先进控制系统应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1）数据的采集、处理和软测量技术 利用大量的实测信息是先进控制的优势所在。采集数据的滤波，过失误差的检验

25、及数据调理。软测量技术-基于可测信息和模型，实时计算不可测量的变量。如粗汽油干点、精馏塔两端质量指标(反应成分分布)估算。由于质量测量仪表的缺乏或不可靠，无法获得实时刻靠的在线信息。采用工艺稳态模型、神经网络模型和动态数学模型推断估计。2）多变量动态过程模型辨识技术获取对象的动态数学模型是实施先进控制的基础。对复杂工业过程，需强有力的辨识软件。工业过程模型化-过程动态学、系统辨识、统计学及人工智能等多种知识。目前，采用试验建模（模型预测）、准确可靠的机理建模和智能模型建立。3)先进控制策略 个别重要控制变量控制性能改善，单变量模型预测控制；约束多变量过程的协调控制问题，待协调层的多变量预测控制；推断质量控制，利用软测量的结果，实现闭环的质量卡边控制。结束