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预测PID控制及其在工业中的应用 东华大学自动化系：任正云 研究背景 滞后过程是实际工业生产中广泛存在的一类过程，如气体、液体的长距离传输、加热炉的温度控制、控制作用的计算延迟等等。它的控制问题，至今仍然是困扰控制界的一个难题。对滞后过程控制方法和机理的研究，引起了控制工作者的普遍重视。 就控制系统而言，滞后是指当前施加的控制作用，需要经过一定的时间才能在输出中反映出来，它常常是导致控制系统品质恶化甚至不稳定的主要因素，随着滞后时间的增加，这种现象越发明显，控制的难度显著增大。因此，控制的焦点在于如何选择一个适当的当前控制，使得系统未来的输出恰好是控制指标所期望的形式。可见，实现滞后过程控制的关键依赖于对系统输出的预测。 时滞系统的常用控制方法 时滞系统的PID控制 时滞系统的Smith预估控制 时滞系统的模型预测控制 时滞系统的预测PID控制 时滞系统的PID控制 PID控制是迄今为止最通用的控制方法。大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器，至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯 PID调节器，若改进型包含在内则超过90 %。但当过程对象的滞后时间和主导时间常数之比大于1时，常规的PID控制算法便无法达到满意的控制效果。 时滞系统的Smith预估控制 Smith预估器被认为是解决滞后过程控制的里程碑。该算法采用时滞补偿原理，将过程的滞后环节从系统的特征方程中消除，使系统的输出响应经过滞后时间后按照规定的要求进行设计。但该算法存在两个方面的缺陷：1．对模型的误差非常敏感，特别是对滞后时间的误差；2．对设定点的跟踪性能好，但抗干扰的能力十分有限。 时滞系统的模型预测控制 模型预测控制算法是最适合于大滞后过程的优化控制的。同Smith预估器相比，其优化目标不是一成不变的全局优化目标，而是采用有限时段的滚动优化策略，并具有反馈校正的功能，这种控制策略更加适用于复杂的工业过程，并在复杂的工业过程中获得了广泛的应用。 模型预测控制也有着自身的缺点： 预测控制算法比较复杂，计算量比较大。 实施周期长，参数整定复杂。 模型预测控制算法的稳定性还没有从根本上得到有效的解决。 在重要干扰变量不可测或干扰模型不可辨识时，系统的控制性能将严重恶化 。 预测PID的主要内容： 预测PID算法理论研究 预测PID先进算法在石化行业丁二烯装置溶剂精制塔和生物发酵罐中的应用 预测PID先进控制软件的开发 仪征化纤公司技术中心工业丝装置牵伸辊温度先进控制系统项目，温度控制精度从原来瑞士立达公司设计的±2℃，提高到±0.1℃。 云南烟叶公司润叶过程先进控制系统项目，项目实施后已经全自动闭环控制，消除了变量之间的耦合，控制精度在原来的基础上有大幅度的提高，连续运行2个月。 云南玉溪卷烟厂、四川会东复烤过程先进控制系统项目 采用预测PID算法实施的先进控制项目 上海交通大学自动化研究所开发的生物发酵罐的温度控制上，控温精度在0.2℃，控制效果达到世界领先水平 丁二烯装置溶剂精制系统先进控制与优化的项目实施 上海卷烟厂一车间烘丝工段的先进控制与优化系统，避免了烟丝“干头干尾”的现象，年经济效益在二千万元以上 河北邢台轧钢厂淬火机床控制系统改造项目 预测PID控制算法的提法 带有预测功能的PID控制器。它本质上是一种PID控制器，只不过依据一些先进控制机理，如：内模原理、广义预测原理、遗传算法和人工智能原理等来设计控制器参数 预测算法和PID算法融合在一起的控制器。它把PID的简单性、实用性、鲁棒性和模型预测控制算法的预测功能有机的结合起来了。它是本文研究的重点 FOPDT对象的预测PI控制 及其鲁棒稳定性分析 算法的提出 特征多项式的推导 鲁棒稳定性分析 和其它PID控制算法的比较 和简化的预测PI控制算法的比较 算法的提出 考虑参数不确定过程 假如所期望的闭环传递函数规定如下 控制器的传递函数 控制器的输入、输出关系为 和其它PID控制算法的比较 和简化的预测PI控制算法的比较 其它自衡对象的预测PID控制 研究二阶加纯滞后对象（SOPDT，包括振荡和非振荡两种类型）、非最小相位加纯滞后对象、高阶加纯滞后对象几种自衡对象的预测PID控制 。这里D的引入是为了改善控制系统的动态性能，而不是作预测控制的功能。 二阶加纯滞后对象预测PID控制 具有标准的预测PID控制器的结构形式 非最小相位滞后系统的预测PID控制 这是一种可实现的预测PID控制形式 高阶时滞对象的预测PID控制 过程降阶方法 控制器降阶方法 仿真研究 过程