工业过程控制教材

1、（本题15分）试画出IMC 的基本结构框图，详细解释在对象模型精确条件下如何保证该控制系统的 稳定性？试给出一种增强系统鲁棒性的改进IMC 方案并举例说明。 答：

如果对象模型精确的话，那么00

ˆ()()G z G z =，并且除去外界干扰的话，()0m D z =，所以()R z 是不变的。如果有干扰的话，()()m D z D z =即()()R z D z -来减少输入，以使()Y z 趋于稳定。

令()

()ˆ1()()

c i p c G z G z G z G z =

+，用()i G z 来完全补偿扰动对输出的影响，()i G z 相当于一个扰动补偿器或

称前馈控制器。且当0

ˆ()G z 不能精确描述对象，即模型存在误差时，扰动估计量()m D z 将包含模型失配的某些信息，从而有利于系统的鲁棒性设计。

2、（本题15分）画出动态矩阵控制的算法结构框图，试述其工作过程以及DMC 算法离线准备的参数和

这些参数的选取原则。 答：

工作过程：输入()u k 通过预测模型预测未来几个输出值，我们一般取第一个值，与当前的输出值进行在

线校正，且校正后的值()c y k i +，输出值和给定值通过参考模型也给出一个值()r y k i +，把

()c y k i +与()r y k i +进行比较，把它们之间的误差通过优化计算来改变输入值()u k ，从来对模型

的失配与干扰的影响在()u k 的变化上体现出来，从而使()y k 有很强的鲁棒性。 DMC 算法离线准备的参数和这些参数的选取原则 1、 脉冲响应系数长度N 的选择

如果采样周期短，则N 会相应的增大。且N 可适当选得大一些，但N 太大会增加预测估计控制的计算量和存储量。通常N=20~60为宜。 2、 输出预估时域长度P 的选择

通常P 越大，预测估计的鲁棒性就越强。但相应的计算量和存储量也增大。一般，设置P 等于过程单位阶跃响应达到其稳态值所需过渡时间的一半所需的采样次数。 3、控制时域长度M 的选择

M 越大，系统的鲁棒性也就越弱。M 不宜选得太大，一般M 取小于10为宜。 4、参考轨迹的收敛参数α的选择

α越大，系统预测控制的鲁棒性越强，但导致闭环系统的响应速度变慢。相反，α过小，过渡过程较易

出现超调与振荡。一般α取值为0~1。 5、误差权矩阵Q 的选择

误差权矩阵Q 的物理意义很明显：j q 作为权系数，则反映它们在不同时刻逼近的重视程度。j q 取值是为了使控制系统稳定，对纯滞后部分控制作用是无能为力的，在这些时刻，取0j q =；其他时刻，取1j q =。 6、控制权矩阵R 的选择

控制权矩阵R 的作用是对控制作用变化加以适度的限制，引入R 的主要作用，在于防止控制量过于剧烈的变化。因此，在整定中，当控制量变化太大时，可先置0R =，待系统稳定且满足要求后则加大R 值。事实上，只要取一个很小的R 值，就足以使控制量的变化趋于平缓。 7、具有纯滞后τ系统

由于存在纯滞后时间τ，故其α、P 和M 的值应选的大一些。P 的取值必须大于τ，即P τ>，而M 的取值最好为M P τ≤-。并且在()r Y k 的设计中考虑纯滞后时间。

3、试述前馈控制和推理控制的适用场合，画出推理控制的结构框图，阐述推理控制器的一般设计过程。（15分） 答：

1、前馈控制是一种利用输入或扰动信号的直接控制作用构成的开环控制。由于按偏差确定控制作用以使输出量保持其在期望值的反馈控制系统，对于滞后较大的控制对象，其反馈控制作用不能及时影响系统的输出，以致引起输出量的过大波动，直接影响控制品质。如

果引起输出量较大波动的主要外扰动参量是可量测和可控制的，则可在反馈控制的同时，利用外扰信号直接控制输出（实施前馈控制），构成复合控制能迅速有效地补偿外扰对整个系统的影响，并利于提高控制精度。这种按外扰信号实施前馈控制的方式称为扰动控制，按不变性原理，理论上可做到完全消除主扰动对系统输出的影响。这类按输入或扰动的开环控制通常与包含按偏差的闭环控制共同组成反馈-前馈

)

s )

s R )

推理控制结构图

控制系统，称为复合控制系统。故可知：前馈控制适用于扰动是可以测量的场合。

2、而推断控制应用于扰动变量无法直接测量的场合。

3、同样单纯的推理控制系统也是开环控制系统。因此，要完全对不可直接测量的扰动和不可直接测量的主输出变量的影响进行补偿以实现无余差控制，必须精确知道过程模型和扰动模型。然而，这在实际工业过程控制中是十分困难的。为了克服模型误差及其他扰动所导致的过程主要输出的稳态误差，在可能的条件下，推理控制常与反馈控制系统结合起来，以构成推断反馈控制。推断反馈控制器的一般设计过程是：

（1） 选择辅助测量变量()Z s ，最常用的是可测辅助变量是温度和压力。

（2） 过程传递函数的()P G s ∧

，()PS G s ∧

，()A s ∧

，()B s ∧

。推断反馈控制系统的成败在于是否有可靠的不可测输出估计器，而这又决定于对过程的了解程度，也即过程传递函数的精确程度。

（3） 设计推断控制器估计出不可测量输出量

（4） 以此推断出来的()Y s ∧反馈和设定值构成反馈，设计控制器。

4、 软测量与推理控制的联系是什么？试述软测量技术实施的一般步骤，列举每一步中可采用的主要方

法。（15分） 答：

1、软测量的基本思想是根据某种最优准则，选择一组容易测量又与过程主要变量有密切关系的过程辅助变量（辅助变量），通过构造某种数学模型，并通过软件计算实现对不易测量的过程主要输出变量的在线估计。

2、推理控制是利用过程中可直接测量的变量，如温度、压力和流量等作为辅助变量，来推断不可直接测量的扰动对过程输出入产品成分等的影响，然后基于这些推断估计量来确定控制输入u ，以消除不可直接测量的扰动对过程主要输出即被控变量的影响，改善控制品质。

3、由上面对两者概念的叙述，容易知道软测量技术作为推理控制器的一部分而存在。推理控制器由两部分组成，其中一部分就是由软测量构成的对主要输出变量估计的估计器；另一部分是根据估计器输出得到的控制器。事实上，由于推理控制器往往是针对具体的对象设计的，所以估计器和控制器往往是一体的。这也就是所谓的推理控制器。

4、软测量技术实施的一般步骤如下：

（1）辅助变量的初选。根据工艺的机理分析，在可测变量集合中，初步选择所有被估计变量有关的原始辅助变量，这些变量中部分可能是相关变量。

（2）现场数据的采集与处理。采集被估计变量和原始辅助变量的历史数据，数据数量越多越好。现