化工仪表及自动化新型控制系统

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1、化工仪表及自动化第九章 新型控制系统 内容提要n 自适应控制系统 n变增益自适应控制 n模型参考自适应控制系统 n直接优化目标函数的自适应控制系统 n自校正控制系统n 预测控制 n预测控制的基本结构 n预测控制的特点及应用1内容提要n 其他新型控制系统 n智能控制 n专家控制系统 n模糊控制系统 n神经元网络控制 n故障检测与故障诊断 n解耦控制系统 n推断控制系统 n鲁棒控制2第一节 自适应控制系统3自适应控制系统自适应控制系统：通过测取系统的有关信息，了解对象特 性的变化情况，再经过某种算法自动地改变控制器的可调 参数，使系统始终运行在最佳状况下。 根据自适应控制的设计原理设计原理和结构结

2、构的不同，可分四类。n 一、变增益自适应控制图9-1 变增益自适应控制找出影响对象参数变化 的辅助变量，并设计好 辅助变量与最佳控制器 增益的有关表格。 关键点关键点第一节 自适应控制系统n 二、模型参考自适应控制系统4图9-2 模型参考自适应控制系统研究的主要问题研究的主要问题在于设计一个稳定的、具有较高性能 的自适应机构的自适应算法。 第一节 自适应控制系统n 三、直接优化目标函数的自适应控制系统5图9-3 直接优化目标函数的 自适应控制系统该系统选择某个指定的 目标函数为对上述目标函数求极小，可采用随机逼近法找到可调 参数向量，使系统的对象参数发生变化时，仍可运行在 最佳状态。第一节 自

3、适应控制系统n 四、自校正控制系统6图9-4 自校正控制系统该系统在原有控制系统的基础上，增加了一个外回外回 路路。它由对象参数辨识器和控制器参数计算机构组成。 第二节 预测控制n 一、预测控制的基本结构7四部分组成，预测模型、反馈校正、滚动优化和 参考轨迹。 图9-5 预测控制的基本结构第二节 预测控制81.1.预测模型预测模型具有预测功能，能够根据系统的现时刻的控制输 入以及过程的历史信息，预测过程输出的未来值。 最基本的模型算法控制（MAC）采用的是系统的单 位脉冲响应曲线，而动态矩阵控制（DMC）采用的是系 统的阶跃响应曲线。 在预测控制中各种不同算法，采用不同类型的预测模型在预测控制

4、中各种不同算法，采用不同类型的预测模型 预测模型具有展示过程未来动态行为的功能。预测模型具有展示过程未来动态行为的功能。 第二节 预测控制92.2.反馈校正反馈校正由于对模型施加了反馈校正的过程，使预测控制 具有很强的抗扰动和克服系统不确定的能力。预测控 制中不仅基于模型，而且利用了反馈信息，因此预测 控制是一种闭环优化控制算法。 第二节 预测控制103.3.滚动优化滚动优化预测控制是一种优化控制算法。它是通过某一性能 指标的最优化来确定未来的控制作用。这一性能指标还 涉及到过程未来的行为，它是根据预测模型由未来的控 制策略决定的。 预测控制采用滚动式的有限时域优化策略。 第二节 预测控制11

5、4.4.参考轨迹参考轨迹它是设定值经过在线“柔化”后的产物。最广泛采用的参考轨迹为一阶指数变化的形式， 它可以使急剧变化的信号转变为比较缓慢变化的信号 。 第二节 预测控制n 二、预测控制的特点及其应用12 从控制方式上预测控制。 预测控制的预测和优化模式是对传统最优控制的修正， 它使建模简化，并考虑了不确定性及其他复杂性因素。 预测控制对数学模型要求不高且模型的形式多样化。 能直接处理具有纯滞后的过程。 具有良好的跟踪性能和较强的抗扰动能力。 对模型误差具有较强的鲁棒性。 特点第二节 预测控制13应用国外已经形成许多以预测控制为核心思想的先进控 制商品化软件包。中国通过“八五”“九五”国家重

6、点科技攻关等，在先 进控制与优化控制方面积累了许多经验，成功应用实 例亦不少，部分成果已逐渐形成商品化软件。 第三节 其他新型控制系统n 一、智能控制141.智能控制的基本概念智能控制系统是实现某种控制任务的一种智能系统， 它由智能控制器和对象组成，具备一定的智能行为。 图9-6 智能控制系统的典型结构第三节 其他新型控制系统15智能控制系统的主要功能特点：智能控制系统的主要功能特点： 学习功能 适应功能 组织功能第三节 其他新型控制系统162.2.智能控制的主要类型智能控制的主要类型根据智能控制系统的定义和控制功能分类：自寻优智能控制器 自修复智能控制器 自学习智能控制器 自镇定智能控制器自

7、适应智能控制器 自协调智能控制器 自组织智能控制器 自繁殖智能控制器 第三节 其他新型控制系统n 二、专家控制系统171.1.专家控制系统概念专家控制系统概念 专家控制系统是指将专家系统的设计规范和运行机制 与传统控制理论和技术相结合而成的实时控制系统的设 计和实现方法。 根据专家系统技术在控制系统中应用的复杂程度，可 以分为专家控制系统和专家式智能控制器。 专家控制系统可以提高常规控制系统的控制品质，拓 宽系统的作用范围，增加系统的功能，还可以对传统控 制方法难以奏效的复杂过程实现高品质的控制。 第三节 其他新型控制系统2.2.专家控制系统的类型专家控制系统的类型 根据专家控制系统在过程控制

8、中的用途和功能 ，可分为直接型专家控制器和间接型专家控制器 。 按知识表达技术，可分为产生式专家控制系统 和框架式专家控制系统等。 18第三节 其他新型控制系统193.3.专家控制系统结构专家控制系统结构系统由算法库、知识基系统和人-机接口与通讯系统组成。算法库部分主要完成数值计算。知识基系统具有定性的启发式知识，它进行符号推理，按专 家系统的设计规范编码，通过算法库与对象相连。人-机接口与通讯系统作为人-机界面和实现与知识基系统直 接交互联系，与算法库进行间接联系。 图9-7 专家控制系统总体结构图第三节 其他新型控制系统n 三、模糊控制系统20优点具有实时性好，超调量小，抗干扰能力强，稳

9、态误差小等。1.1.模糊控制系统的基本结构模糊控制系统的基本结构图9-8 模糊控制系统的方块图图9-9 模糊控制器的基本结构第三节 其他新型控制系统212.2.模糊控制的几种方法模糊控制的几种方法查表法 将输入量的隶属度函数、模糊控制规则及 输出量的隶属度函数都用表格来表示。专用硬件模糊控制器 用硬件直接实现上述的模糊 推理。优点是推理速度快，控制精度高。软件模糊推理法模糊 控制过程中输入量模糊化， 模糊规则推理和输出清晰化和知识库这四部分都用软 件来实现。 第三节 其他新型控制系统n 四、神经元网络控制22比较适用于那些具有不确定性或高度非线性的控 制对象，并具有较强的适应和学习功能。 1.

10、1.人工神经网络人工神经网络由许多人工神经元模型构成，用来模拟生物神经 网络的某些结构和功能。 图9-10 人工神经元模型第三节 其他新型控制系统23输入xi与输出y的关系优点优点 具有大规模并行性、冗余性、容错性、本质非 线性及自组织、自学习、自适应能力。 第三节 其他新型控制系统24反向传播网络反向传播网络是一种多层前馈网络，它分输入层、隐含层和输出 层，其神经元的变换函数为s形函数。图9-11 BP网络结构示意图连接权的调整采用误差修正反向传播的学习算法。 第三节 其他新型控制系统252.2.神经网络在控制中的主要作用神经网络在控制中的主要作用 在基于精确模型的各种控制结构中充当对象的模

11、型。 在反馈控制系统中直接充当控制器的作用。 在传统控制系统中起优化计算作用。 在与其他智能控制方法，如模糊控制、专家控制等相 融合中，为其提供非参数化对象模型、优化参数、推理 模型和故障诊断等。 第三节 其他新型控制系统263.3.神经网络控制的分类神经网络控制的分类根据不同观点可以有不同的形式，目前尚 无统一的分类标准。一般可分为两大类，即基于传统控制理论基于传统控制理论 的神经控制和基于神经网络基于神经网络的智能控制。 第三节 其他新型控制系统n 五、故障检测与故障诊断271.1.提高控制系统可靠性的主要方法提高控制系统可靠性的主要方法（1）提高元器件的可靠性。（2）系统的高可靠性设计。

12、简化系统结构。采用备份。（3）控制系统的容错设计。（4）基于故障检测和诊断技术的容错设计。 第三节 其他新型控制系统282.2.主要故障主要故障控制系统的故障主要涉及以下几方面：传感器故障 ；执行器故障；控制器故障；计算机故障等。 3.3.故障检测和诊断的含义故障检测和诊断的含义故障检测是当控制系统发生故障时，可以及时发现 并报警。故障诊断是分离出故障的部位，判别故障的类型， 估计出故障的大小与时间，并作评价与决策。 第三节 其他新型控制系统294.4.故障检测和诊断的主要方法故障检测和诊断的主要方法（1）基于控制系统动态模型的方法（2）不依赖于动态模型的方法 诊断专家系统，用专家系统来诊断故

13、障的方法。该系 统主要有两大部分：知识库和推理机。 模糊数学的诊断方法。 模式识别诊断方法。这种方法适合于积累了大量有关 故障的案例，一般诊断步骤如下。第三节 其他新型控制系统30a.选择能表达系统故障状态的向量集，以此构成故障 模式向量。b.根据故障向量中各参数的重要性，选择故障状态最 敏感的特征参数，构成特征向量集，作为故障的基准 模式集。c.由特征向量以一定方式构成判别函数，用来判别系 统目前状态属于哪一个基准模式，或说系统属于哪种 故障状态。 人工神经元网络诊断方法。 第三节 其他新型控制系统n 六、解耦控制系统311.1.系统间的耦合现象系统间的耦合现象若干个控制回路之间，可能会相互

14、耦合，相互影响 ，构成多输入-多输出的相关（耦合）控制系统。 图9-13 关联严重的控制系统第三节 其他新型控制系统322.2.减少与解除耦合的途径减少与解除耦合的途径（1）合理匹配被控变量与操纵变量图9-14 冷热物料混合系统图9-15 变量关系图第三节 其他新型控制系统33针对以上情况，变量之间的匹配可以有两种方案两种方案：一个方案一个方案是以Fh作为操纵变量，以T作为被控变量构 成温度控制系统，同时，以Fc作为操纵变量，以F作为被 控变量构成流量控制系统；另一个方案另一个方案是以Fh作为操 纵变量，以F作为被控变量构 成流量控制系统，同时，以Fc 作为操纵变量，以T作为被控 变量构成温度

15、控制系统。图9-16 混合物料温度和流 量控制系统第三节 其他新型控制系统34（2）控制器的参数整定在动态上设法通过控制器的参数整定，使两个控制 回路的工作频率错开，两个控制器作用强弱不同。 （3）减少控制回路（4）串接解耦控制图9-17 双输入双输出串接解耦系统框图第三节 其他新型控制系统n 七、推断控制系统35推断控制是利用数学模型由可测信息将不可测的输 出变量推算出来实现反馈控制，或将不可测扰动推算出 来以实现前馈控制的控制系统。图9-18 推断控制系统框图第三节 其他新型控制系统n 八、鲁棒控制36鲁棒控制的任务是设计一个固定控制器，使得相 应的闭环系统在指定不确定性扰动作用下仍能维持预 期的性能，或相应的闭环系统在保持预期的性能前提 下，能允许最大的不确定性扰动。 37