1.4 過程控制系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)

過程控制主要講述流程型工業(yè)的控制問題，它是在基本控制理論的基礎(chǔ)上，將控制理論知識(shí)和工程應(yīng)用結(jié)合起來，把理論應(yīng)用于實(shí)際。

現(xiàn)代流程工業(yè)越來越多地采用以DCS為代表的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。硬件的發(fā)展促進(jìn)了對(duì)過程控制技術(shù)的需求，但過程控制系統(tǒng)最終需要工藝技術(shù)人員來掌握操作。由于這些系統(tǒng)涉及一系列理論與實(shí)踐問題，大多數(shù)工藝人員難以理解，因而最終影響使用效果。

過程控制涉及復(fù)雜的控制理論和數(shù)學(xué)問題，較抽象難懂，熟悉工藝的人由于缺乏必要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和控制理論基礎(chǔ)，在學(xué)習(xí)和理解上更感困難；因此，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，將復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)從“抽象”化為“形象”，將復(fù)雜數(shù)學(xué)公式化為曲線、圖表，從而易于理解掌握，這種仿真技術(shù)不僅十分重要，也十分必要。

1.4.1 計(jì)算機(jī)仿真基本概念

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的實(shí)用技術(shù)之一。它集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、多媒體、軟件工程、信息處理、自動(dòng)控制等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí)，以數(shù)學(xué)理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù)。

1.模型

模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)信息和行為的某種形式的描述，是對(duì)系統(tǒng)特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們認(rèn)識(shí)事物的一種手段或工具。

模型可以分為以下三類。

（1）物理模型

指不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在的實(shí)體，如飛行器研制中的飛行模型，船舶制造中的船舶模型等。

（2）數(shù)學(xué)模型

指從一定的功能或結(jié)構(gòu)上進(jìn)行相似，用數(shù)學(xué)的方法來再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征。

（3）仿真模型

指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用仿真語言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的模型。

2.仿真系統(tǒng)分類

可以從模型角度和計(jì)算機(jī)類型角度對(duì)不同的仿真系統(tǒng)進(jìn)行分類。

（1）按模型分類

·物理仿真：采用物理模型，有實(shí)物介入，它的特點(diǎn)是具有效果逼真、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)高或耗時(shí)長，大多在一些特殊場(chǎng)合下采用（如導(dǎo)彈、衛(wèi)星一類飛行器的動(dòng)態(tài)仿真，發(fā)電站綜合調(diào)度仿真與培訓(xùn)系統(tǒng)等），具有實(shí)時(shí)性、在線的特點(diǎn)。

·數(shù)學(xué)仿真：采用數(shù)學(xué)模型。它在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，具有非實(shí)時(shí)性、離線的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)、快速、實(shí)用。

（2）按計(jì)算機(jī)類型分類

·模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)。這是一種早期的仿真手段，現(xiàn)在基本被淘汰。

模擬仿真的特點(diǎn)是描述連續(xù)物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程比較自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、結(jié)果可靠的優(yōu)點(diǎn)，但受元器件性能影響，仿真精度較低，對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真較困難，自動(dòng)化程度低。模擬計(jì)算機(jī)的核心是運(yùn)算部分，它由我們熟知的“模擬運(yùn)算放大器”為主要構(gòu)成部件。

·數(shù)字仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在數(shù)字計(jì)算機(jī)上借助數(shù)值計(jì)算方法所進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)。它是在20世紀(jì)60年代隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來的。數(shù)字仿真的特點(diǎn)是計(jì)算與仿真的精度較高。理論上計(jì)算機(jī)的字長可以根據(jù)精度要求來“隨意”設(shè)計(jì)，因此其仿真精度可以是無限，但是由于受到誤差積累、仿真時(shí)間等因素影響，其精度也不易定得太高。

數(shù)字仿真對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真比較方便，仿真實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化程度較高，可方便地實(shí)現(xiàn)顯示、打印等功能，但計(jì)算速度比較低，在一定程度上影響到仿真結(jié)果的可信度。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，速度會(huì)在不同程度上有所改進(jìn)與提高。數(shù)字仿真沒有專用的仿真軟件支持，需要設(shè)計(jì)人員用高級(jí)程序語言編寫求解系統(tǒng)模型及結(jié)果輸出程序。

·混合仿真：結(jié)合了模擬仿真與數(shù)字仿真的技術(shù)與特點(diǎn)。

·現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真：采用先進(jìn)的微型計(jì)算機(jī)，基于專用的仿真軟件、仿真語言來實(shí)現(xiàn)，其數(shù)值計(jì)算功能強(qiáng)大，易學(xué)易用。它是在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的，是當(dāng)前主流的仿真技術(shù)與方法。

3.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，與之緊密結(jié)合的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）硬件方面：基于多CPU并行處理技術(shù)的全數(shù)字仿真將有效提高仿真系統(tǒng)的速度，大大增強(qiáng)數(shù)字仿真的實(shí)時(shí)性。

（2）應(yīng)用軟件方面：直接面向用戶的數(shù)字仿真軟件不斷推陳出新，各種專家系統(tǒng)與智能化技術(shù)將更深入地應(yīng)用于仿真軟件開發(fā)之中，使得在人機(jī)界面、結(jié)果輸出、綜合評(píng)判等方面達(dá)到更理想的境界。

（3）分布式數(shù)字仿真：充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行分布式仿真，投資少，效果好。

（4）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多學(xué)科，使人仿佛置身于真實(shí)環(huán)境之中，這就是“仿真”追求的最終目標(biāo)。

1.4.2 仿真在過程控制中的應(yīng)用

過程控制是一門應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。實(shí)驗(yàn)是這一學(xué)科的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，許多重要的概念和方法必須通過實(shí)驗(yàn)才能更好地掌握。

進(jìn)行過程控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)不僅可以加深對(duì)過程控制的理解和認(rèn)識(shí)，而且為以后在自動(dòng)化儀表和過程控制系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)，而且還可以通過仿真研究各種控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制算法。

過程控制系統(tǒng)的實(shí)施是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅需要掌握控制理論的精髓，還需要對(duì)工業(yè)過程的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)特性的深刻理解；否則，所設(shè)計(jì)的過程控制系統(tǒng)在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可能就表現(xiàn)很糟，有可能即使是一個(gè)最簡單的單回路PID控制，也無從著手，而事實(shí)上或許只需根據(jù)過程特性修改一下控制器的PID參數(shù)，控制系統(tǒng)就能完美地運(yùn)行。

因此，學(xué)好過程控制，應(yīng)著眼于提高分析與解決實(shí)際問題的能力，適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)手段是十分必要的。但過程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)投入也是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，不僅需要過程裝置，而且還需要測(cè)量變送設(shè)備、控制器和執(zhí)行器、必要的管路、電路和各種輔助設(shè)備（如流體輸送設(shè)備），不僅投入巨大，且需專人管理維護(hù)。更重要的是，實(shí)驗(yàn)裝置由于受場(chǎng)地、資金等限制，只能迷你化，但過程的動(dòng)態(tài)特性與裝置的大小密切相關(guān)，也就是實(shí)驗(yàn)裝置的控制與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)裝置的控制，仍有很大不同。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以減小實(shí)驗(yàn)投入，降低實(shí)驗(yàn)成本，而且可以獲得比實(shí)驗(yàn)裝置更好的實(shí)驗(yàn)效果。

1.仿真的必要性

在過程控制中，仿真技術(shù)通過模擬被控對(duì)象在控制策略作用下的行為，檢驗(yàn)控制的有效性，并對(duì)被控對(duì)象模型和算法做出評(píng)價(jià)。

從20世紀(jì)40年代開始直至今日，采用PID控制規(guī)律的單輸入單輸出簡單反饋控制回路已經(jīng)成為過程控制的核心系統(tǒng)，以經(jīng)典的PID控制理論為基礎(chǔ)，主要使用頻域分析方法進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

目前，PID控制仍然得到廣泛的應(yīng)用，即便是在大量采用DCS、FCS控制的現(xiàn)代流程工業(yè)生產(chǎn)過程中，采用PID的回路仍占總回路的80%～90%。因?yàn)镻ID控制算法足以維護(hù)一般過程的平穩(wěn)操作與運(yùn)行，而且這類算法簡單且應(yīng)用歷史悠久，容易為操作人員接受。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，仍有10%～20%的控制問題采用PID控制和串級(jí)、比值、前饋等經(jīng)典復(fù)雜控制策略無法奏效，所涉及的被控過程往往具有強(qiáng)耦合性、不確定性、非線性、信息不完全性和大滯后等特性，并存在著苛刻的約束條件，更重要的是它們大多數(shù)是生產(chǎn)過程的核心部分，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本等有關(guān)指標(biāo)。

合理的過程控制方案可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但是由于工業(yè)工程具有的不確定性、耦合性、非線性等特點(diǎn)和安全上的要求，必須進(jìn)行有效和安全的控制。

這一切決定了控制方案不能直接實(shí)施于現(xiàn)場(chǎng)，而是需要在實(shí)施前進(jìn)行大量的仿真實(shí)驗(yàn)，但是這些實(shí)驗(yàn)在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)檫@樣既不安全又不經(jīng)濟(jì)，這就給控制方案的應(yīng)用和發(fā)展帶來諸多不便，如果可以在投入實(shí)際運(yùn)行之前能夠?qū)刂品桨浮⒉呗院退惴ㄟM(jìn)行大量的仿真實(shí)驗(yàn)，則既可以提高安全性又可以取得更好的控制效果。

因此，仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)過程領(lǐng)域，顯示出巨大的經(jīng)濟(jì)效益，其成效得到了過程工業(yè)界的一致認(rèn)同。

過程控制系統(tǒng)仿真就是以過程控制系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)模型替代實(shí)際控制系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)過程控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析、評(píng)估及預(yù)測(cè)研究的一種技術(shù)與方法。

2.仿真的基本過程

過程控制系統(tǒng)仿真包括以下幾個(gè)基本步驟：問題描述、模型建立、仿真實(shí)驗(yàn)、結(jié)果分析，其流程如圖1.5所示。

（1）建立數(shù)學(xué)模型。控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是指描述控制系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內(nèi)部各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，靜態(tài)模型描述的是過程控制系統(tǒng)變量之間的靜態(tài)關(guān)系，動(dòng)態(tài)模型描述的是過程控制系統(tǒng)變量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。最常用、基本的數(shù)學(xué)模型是微分方程與差分方程。過程控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立將在本書第5章進(jìn)行詳細(xì)講述。

（2）建立仿真模型。由于計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法的限制，有些數(shù)學(xué)模型是不能直接用于數(shù)值計(jì)算的，如微分方程，因此原始的數(shù)學(xué)模型必須轉(zhuǎn)換為能夠進(jìn)行系統(tǒng)仿真的仿真模型。例如在進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)仿真時(shí)，就需要將微分方程這樣的數(shù)學(xué)模型通過拉普拉斯變換轉(zhuǎn)換成傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)的仿真模型。

（3）編寫仿真程序。過程控制系統(tǒng)的仿真涉及很多相關(guān)聯(lián)的量，這些量之間的聯(lián)系要通過編制程序來實(shí)現(xiàn)，常用的數(shù)值仿真編程語言有C、Fortran等，MATLAB/Simulink也可以用來編寫仿真程序，而且編寫起來非常迅速、界面友好，已得到廣泛應(yīng)用。Simulink可以方便地進(jìn)行過程控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，利用鼠標(biāo)在模型窗口上繪制出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后利用Simulink提供的功能就可系統(tǒng)地進(jìn)行仿真和分析。

（4）在完成以上工作后，就可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)了，通過對(duì)仿真結(jié)果的分析來對(duì)仿真模型與仿真程序進(jìn)行檢驗(yàn)和修改，如此反復(fù)，直至達(dá)到滿意的實(shí)驗(yàn)效果為止。