工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制技術(shù)

前言

　　在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)良好的控制系統(tǒng)不但要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整個(gè)生產(chǎn)的安全，滿足一定的約束條件，而且應(yīng)該能帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。然而設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)會(huì)遇到許多困難，特別是復(fù)雜工業(yè)過(guò)程往往具有不確定性（環(huán)境結(jié)構(gòu)和參數(shù)的未知性、時(shí)變性、隨機(jī)性及突變性）、非線性、變量間的關(guān)聯(lián)性以及信息的不完全性和大純滯后性等，要想獲得精確的數(shù)學(xué)模型是十分困難的。因此，對(duì)于過(guò)程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，已不能采用單一基于定量的數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制理論和控制技術(shù)，必須進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高級(jí)的過(guò)程控制系統(tǒng)，研究先進(jìn)的過(guò)程控制規(guī)律，以及將現(xiàn)有的控制理論和方法向過(guò)程控制領(lǐng)域移植和改造，這些都越來(lái)越受到控制界的關(guān)注?！　∧壳霸诳刂祁I(lǐng)域中，雖然已逐步采用了電子計(jì)算機(jī)這個(gè)先進(jìn)技術(shù)工具，特別是石油化工企業(yè)普遍采用了分散控制系（DCS）。但就其控制策略而言，占統(tǒng)治地位的仍然是常規(guī)的PID控制。國(guó)外應(yīng)用先進(jìn)控制較廣泛，而我們尚處于試驗(yàn)、試點(diǎn)階段，與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)差距較大。DCS提供了高級(jí)功能開(kāi)發(fā)應(yīng)用的優(yōu)越環(huán)境，該環(huán)境通過(guò)先進(jìn)控制、優(yōu)化控制等開(kāi)發(fā)方法，充分挖掘DCS設(shè)備的潛能，提高過(guò)程控制水平，給企業(yè)帶來(lái)明顯經(jīng)濟(jì)效益?！　榱丝朔刂评碚摵蛯?shí)際工業(yè)應(yīng)用之間的脫節(jié)現(xiàn)象，盡快地將現(xiàn)代控制理論移植到過(guò)程控制領(lǐng)域，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的功能，世界各國(guó)在加強(qiáng)建模理論、辨識(shí)技術(shù)、優(yōu)化控制、最優(yōu)控制、高級(jí)過(guò)程控制等方面進(jìn)行研究。推出了從實(shí)際工業(yè)過(guò)程特點(diǎn)出發(fā)，尋求對(duì)模型要求不高、在線計(jì)算方便、對(duì)過(guò)程和環(huán)境的不確定性有一定適應(yīng)能力的控制策略和方法。例如，自適應(yīng)控制系統(tǒng)、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)、魯棒控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)（專家系統(tǒng)、模糊控制……）等先進(jìn)控制系統(tǒng)。由于變量間的關(guān)聯(lián)，使系統(tǒng)不能正常平穩(wěn)運(yùn)行，出現(xiàn)各類解耦控制系統(tǒng)。

內(nèi)容概要

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)良好的控制系統(tǒng)不但要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整個(gè)生產(chǎn)的案例，滿足一定的約束條件，而且應(yīng)該能帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。    本書(shū)是在原工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制基礎(chǔ)知識(shí)上，總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究成果及大量工業(yè)應(yīng)用實(shí)例，并參考有關(guān)著作編寫(xiě)而成的。全書(shū)就推斷控制、軟測(cè)量技術(shù)、基于模型的預(yù)測(cè)控制、純滯后補(bǔ)償控制、解耦控制、自適應(yīng)控制和魯棒控制、狀態(tài)反饋控制、智能控制、網(wǎng)絡(luò)控制、故障診斷檢測(cè)及容錯(cuò)控制等先進(jìn)控制技術(shù)及其在工業(yè)過(guò)程中應(yīng)用作一些介紹，以推動(dòng)先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用。考慮到部分讀者缺少自動(dòng)化專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，特增加了工業(yè)過(guò)程數(shù)學(xué)模型、常用復(fù)雜控制系統(tǒng)等兩章內(nèi)容。

作者簡(jiǎn)介

　　俞金壽，1939.8月生，浙江海寧人，中共黨員，1963.8畢業(yè)于華東化工學(xué)院化機(jī)系化工自動(dòng)化專業(yè)，畢業(yè)后留校任教至今，1983.8提為副教授，1988.8晉升為教授，1993.9被國(guó)務(wù)院學(xué)位委會(huì)批準(zhǔn)為工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)（控制理論與控制工程）博士生導(dǎo)師，1993，10獲國(guó)務(wù)院政府特殊津貼?，F(xiàn)兼任中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)過(guò)程控制委員會(huì)副主任，中國(guó)化工學(xué)會(huì)理事，化工自動(dòng)化及儀表專業(yè)委員會(huì)副主任。

書(shū)籍目錄

第1章  緒論  1.1  控制理論與工程的發(fā)展  1.2  工業(yè)過(guò)程常用控制裝置和現(xiàn)場(chǎng)總線    1.2.1  工業(yè)過(guò)程常用控制裝置    1.2.2  現(xiàn)場(chǎng)總線  1.3  控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)    1.3.1  穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)    1.3.2  控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程    1.3.3  控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)第2章  工業(yè)過(guò)程數(shù)學(xué)模型  2.1  工業(yè)過(guò)程穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型    2.1.1  機(jī)理建模    2.1.2  經(jīng)驗(yàn)建模    2.1.3  機(jī)理與經(jīng)驗(yàn)的組合建模  2.2  工業(yè)過(guò)程動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型概論    2.2.1  動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的作用和要求    2.2.2  動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的類型    2.2.3  典型過(guò)程動(dòng)態(tài)特性    2.2.4  建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的途徑  2.3  工業(yè)過(guò)程動(dòng)態(tài)機(jī)理模型    2.3.1  動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的一般列寫(xiě)方法    2.3.2  串接液位貯槽的數(shù)學(xué)模型    2.3.3  換熱器的數(shù)學(xué)模型    2.3.4  二元物系精餾塔的數(shù)學(xué)模型    2.3.5  連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型  2.4  過(guò)程辨識(shí)與參數(shù)估計(jì)    2.4.1  階躍響應(yīng)法    2.4.2  脈沖響應(yīng)法第3章  常用復(fù)雜控制系統(tǒng)第4章  推斷控制第5章  軟測(cè)量技術(shù)第6章  基于模型的預(yù)測(cè)控制第7章  解耦控制系統(tǒng)第8章  純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)第9章  自適應(yīng)控制和魯棒控制第10章  狀態(tài)反饋控制第11章  網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)第12章  智能控制第13章  故障檢測(cè)診斷和容錯(cuò)控制第14章  典型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的先進(jìn)控制

章節(jié)摘錄

　　第1章 緒論　　1.1 控制理論與工程的發(fā)展　　20世紀(jì)40年代開(kāi)始形成的控制理論被稱為“20世紀(jì)上半葉三大偉績(jī)之一”，在人類社會(huì)的各個(gè)方面有著深遠(yuǎn)的影響?？刂评碚撆c其他任何學(xué)科一樣，源于社會(huì)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)踐。在自動(dòng)化理論及技術(shù)的發(fā)展中，有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：第一，任務(wù)的需要、理論的開(kāi)拓與技術(shù)手段的進(jìn)展三者相互推動(dòng)、相互促進(jìn)，顯示了一幅交錯(cuò)復(fù)雜但又輪廓分明的畫(huà)卷，三者間表現(xiàn)出清晰的同步性；第二，自動(dòng)化技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，控制更是一門廣義的學(xué)科，在自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域，移植和借鑒起了交流匯合的作用?！　∽詣?dòng)化技術(shù)的歷史可以追溯到我國(guó)古代，如指南車的出現(xiàn)。至于在工業(yè)上的應(yīng)用，一般以瓦特的蒸汽機(jī)調(diào)速器作為正式起點(diǎn)。工業(yè)自動(dòng)化的萌芽是與工業(yè)革命同時(shí)開(kāi)始的。這時(shí)候的自動(dòng)化裝置是機(jī)械式的，而且是自力型的。隨著電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)這些動(dòng)力源的應(yīng)用，電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)的控制裝置開(kāi)創(chuàng)了新的控制手段?！　〉降诙问澜绱髴?zhàn)前后，控制理論有了很大發(fā)展。電信事業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致了Nyquist（1932）頻率域分析技術(shù)和穩(wěn)定判據(jù)的產(chǎn)生。Bode的進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)了易于實(shí)際應(yīng)用的Bode圖（1945）。1948年，Evans提出了一種易于工程應(yīng)用的求解閉環(huán)特征方程根的簡(jiǎn)單圖解方法——根軌跡分析方法。至此，自動(dòng)控制技術(shù)開(kāi)始形成一套完整的，以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，在頻率域?qū)屋斎雴屋敵觯⊿ISO）控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的理論，這就是今天所謂的經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論最輝煌的成果之一要首推PID控制規(guī)律。PID控制原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)無(wú)時(shí)間延遲的單回路控制系統(tǒng)極為有效，直到目前為止，在工業(yè)過(guò)程控制中有80％-90％的系統(tǒng)還使用PID控制規(guī)律。經(jīng)典控制理論最主要的特點(diǎn)是：線性定常對(duì)象，單輸入單輸出，完成整定任務(wù)。即便對(duì)這些極簡(jiǎn)單對(duì)象的描述及控制任務(wù)，經(jīng)典控制理論上也尚不完整，從而促使現(xiàn)代控制理論的發(fā)展?！　?0世紀(jì)60年代，現(xiàn)代控制理論迅猛發(fā)展，這是以狀態(tài)空問(wèn)方法為基礎(chǔ)，以極小值原理（Pontryagin，1962）和動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法（Bellman，1963）等最優(yōu)控制理論為特征的，而以采用Kalman濾波器的隨機(jī)干擾下的線性二次型系統(tǒng)（LOG）（Kalman，1960）宣告了時(shí)域方法的完成?，F(xiàn)代控制理論在航天、航空、制導(dǎo)等領(lǐng)域取得了輝煌的成果?，F(xiàn)代控制理論中首先得到透徹研究的是多輸入多輸出系統(tǒng)，其中特別重要的是對(duì)描述控制系統(tǒng)本質(zhì)的基本理論的建立，如可控性、可觀性、實(shí)現(xiàn)理論、典范性、分解理論等，使控制由一類工程設(shè)計(jì)方法提高成為一門新的科學(xué)。為了擴(kuò)大現(xiàn)代控制理論的適用范圍，相繼產(chǎn)生和發(fā)展了系統(tǒng)辨識(shí)與參數(shù)估計(jì)、隨機(jī)控制、自適應(yīng)控制以及魯棒控制等各種理論分支，使控制理論的內(nèi)容愈來(lái)愈豐富?，F(xiàn)代控制理論雖然在航天、航空、制導(dǎo)等領(lǐng)域取得了輝煌的成果，但對(duì)于復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程卻顯得無(wú)能為力。

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