化工儀表及自動化第9章

1、化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 化工儀表及自動化化工儀表及自動化第九章第九章 新型控制系統(tǒng)新型控制系統(tǒng) 內容提要內容提要n 自適應控制系統(tǒng)自適應控制系統(tǒng)n變增益自適應控制變增益自適應控制n模型參考自適應控制系統(tǒng)模型參考自適應控制系統(tǒng)n直接優(yōu)化目標函數的自適應控制系統(tǒng)直接優(yōu)化目標函數的自適應控制系統(tǒng)n自校正控制系統(tǒng)自校正控制系統(tǒng)n 預測控制預測控制n預測控制的基本結構預測控制的基本結構n預測控制的特點及應用預測控制的特點及應用1內容提要內容提要n 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)n智能控制智能控制n專家控制系統(tǒng)專家控制系統(tǒng)n模糊控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)n神經元網絡控制神經元網絡控制n故障檢測與故障診斷

2、故障檢測與故障診斷n解耦控制系統(tǒng)解耦控制系統(tǒng)n推斷控制系統(tǒng)推斷控制系統(tǒng)n魯棒控制魯棒控制2第一節(jié)第一節(jié) 自適應控制系統(tǒng)自適應控制系統(tǒng)3：通過測取系統(tǒng)的有關信息，了解對象特性的變化情況，再經過某種算法自動地改變控制器的可調參數，使系統(tǒng)始終運行在最佳狀況下。 根據自適應控制的根據自適應控制的和和的不同，可分四類。的不同，可分四類。n 一、變增益自適應控制一、變增益自適應控制圖9-1 變增益自適應控制找出影響對象參數變化的輔助變量，并設計好輔助變量與最佳控制器增益的有關表格。 第一節(jié)第一節(jié) 自適應控制系統(tǒng)自適應控制系統(tǒng)n 二、模型參考自適應控制系統(tǒng)二、模型參考自適應控制系統(tǒng)4圖9-2 模型參考自適應

3、控制系統(tǒng)在于設計一個穩(wěn)定的、具有較高性能的自適應機構的自適應算法。 第一節(jié)第一節(jié) 自適應控制系統(tǒng)自適應控制系統(tǒng)n 三、直接優(yōu)化目標函數的自適應控制系統(tǒng)三、直接優(yōu)化目標函數的自適應控制系統(tǒng)5圖9-3 直接優(yōu)化目標函數的自適應控制系統(tǒng) ,tutyfEJ該系統(tǒng)選擇某個指定的該系統(tǒng)選擇某個指定的目標函數為目標函數為 對上述目標函數求極小，可采用隨機逼近法找到可調參數向量，使系統(tǒng)的對象參數發(fā)生變化時，仍可運行在最佳狀態(tài)。第一節(jié)第一節(jié) 自適應控制系統(tǒng)自適應控制系統(tǒng)n 四、自校正控制系統(tǒng)四、自校正控制系統(tǒng)6圖9-4 自校正控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)在原有控制系統(tǒng)的基礎上，增加了一個。它由對象參數辨識器和控制器參數計算

4、機構組成。 第二節(jié)第二節(jié) 預測控制預測控制n 一、預測控制的基本結構一、預測控制的基本結構7 四部分組成，預測模型、反饋校正、滾動優(yōu)化四部分組成，預測模型、反饋校正、滾動優(yōu)化和參考軌跡。和參考軌跡。 圖9-5 預測控制的基本結構第二節(jié)第二節(jié) 預測控制預測控制8 具有預測功能，能夠根據系統(tǒng)的現時刻的控制輸具有預測功能，能夠根據系統(tǒng)的現時刻的控制輸入以及過程的歷史信息，預測過程輸出的未來值。入以及過程的歷史信息，預測過程輸出的未來值。 最基本的模型算法控制（MAC）采用的是系統(tǒng)的單位脈沖響應曲線，而動態(tài)矩陣控制（DMC）采用的是系統(tǒng)的階躍響應曲線。 第二節(jié)第二節(jié) 預測控制預測控制9 由于對模型施加

5、了反饋校正的過程，使預測控制具有很強的抗擾動和克服系統(tǒng)不確定的能力。預測控制中不僅基于模型，而且利用了反饋信息，因此預測控制是一種閉環(huán)優(yōu)化控制算法。 第二節(jié)第二節(jié) 預測控制預測控制10 預測控制是一種優(yōu)化控制算法。它是通過某一性能指標的最優(yōu)化來確定未來的控制作用。這一性能指標還涉及到過程未來的行為，它是根據預測模型由未來的控制策略決定的。 預測控制采用滾動式的有限時域優(yōu)化策略。 第二節(jié)第二節(jié) 預測控制預測控制11 它是設定值經過在線“柔化”后的產物。 最廣泛采用的參考軌跡為一階指數變化的形式，它可以使急劇變化的信號轉變?yōu)楸容^緩慢變化的信號。 第二節(jié)第二節(jié) 預測控制預測控制n 二、預測控制的特點

6、及其應用二、預測控制的特點及其應用12從控制方式上預測控制。預測控制的預測和優(yōu)化模式是對傳統(tǒng)最優(yōu)控制的修正，它使建模簡化，并考慮了不確定性及其他復雜性因素。預測控制對數學模型要求不高且模型的形式多樣化。能直接處理具有純滯后的過程。具有良好的跟蹤性能和較強的抗擾動能力。對模型誤差具有較強的魯棒性。 特點特點第二節(jié)第二節(jié) 預測控制預測控制13應用應用 國外已經形成許多以預測控制為核心思想的先進控制商品化軟件包。 中國通過“八五”“九五”國家重點科技攻關等，在先進控制與優(yōu)化控制方面積累了許多經驗，成功應用實例亦不少，部分成果已逐漸形成商品化軟件。 第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)n 一

7、、智能控制一、智能控制141.1.智能控制的基本概念智能控制的基本概念 智能控制系統(tǒng)是實現某種控制任務的一種智能系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)是實現某種控制任務的一種智能系統(tǒng)，它由智能控制器和對象組成，具備一定的智能行為。它由智能控制器和對象組成，具備一定的智能行為。 圖9-6智能控制系統(tǒng)的典型結構第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)15 學習功能學習功能 適應功能適應功能 組織功能組織功能第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)16根據智能控制系統(tǒng)的定義和控制功能分類：根據智能控制系統(tǒng)的定義和控制功能分類： 自尋優(yōu)智能控制器 自修復智能控制器 自學習智能控制器 自鎮(zhèn)定智能控制器 自適應智

8、能控制器 自協(xié)調智能控制器 自組織智能控制器 自繁殖智能控制器 第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)n 二、專家控制系統(tǒng)二、專家控制系統(tǒng)17 專家控制系統(tǒng)是指將專家系統(tǒng)的設計規(guī)范和運行機制與傳統(tǒng)控制理論和技術相結合而成的實時控制系統(tǒng)的設計和實現方法。 根據專家系統(tǒng)技術在控制系統(tǒng)中應用的復雜程度，可以分為專家控制系統(tǒng)和專家式智能控制器。 專家控制系統(tǒng)可以提高常規(guī)控制系統(tǒng)的控制品質，拓寬系統(tǒng)的作用范圍，增加系統(tǒng)的功能，還可以對傳統(tǒng)控制方法難以奏效的復雜過程實現高品質的控制。 第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng) 根據專家控制系統(tǒng)在過程控制中的用途和功能根據專家控制系統(tǒng)在過程控制

9、中的用途和功能，可分為直接型專家控制器和間接型專家控制器。 按知識表達技術按知識表達技術，可分為產生式專家控制系統(tǒng)和框架式專家控制系統(tǒng)等。 18第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)19系統(tǒng)由算法庫、知識基系統(tǒng)和人系統(tǒng)由算法庫、知識基系統(tǒng)和人- -機接口與通訊系統(tǒng)組成。機接口與通訊系統(tǒng)組成。算法庫部分主要完成數值計算。知識基系統(tǒng)具有定性的啟發(fā)式知識，它進行符號推理，按專家系統(tǒng)的設計規(guī)范編碼，通過算法庫與對象相連。人-機接口與通訊系統(tǒng)作為人-機界面和實現與知識基系統(tǒng)直接交互聯系，與算法庫進行間接聯系。 圖9-7 專家控制系統(tǒng)總體結構圖第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)n 三、

10、模糊控制系統(tǒng)三、模糊控制系統(tǒng)20優(yōu)點優(yōu)點具有實時性好，超調量小，抗干擾能力強，穩(wěn)態(tài)誤差小等。圖9-8 模糊控制系統(tǒng)的方塊圖圖9-9 模糊控制器的基本結構第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)21查表法查表法 將輸入量的隸屬度函數、模糊控制規(guī)則及輸出量的隸屬度函數都用表格來表示。專用硬件模糊控制器專用硬件模糊控制器 用硬件直接實現上述的模糊推理。優(yōu)點是推理速度快，控制精度高。軟件模糊推理法模糊軟件模糊推理法模糊 控制過程中輸入量模糊化，模糊規(guī)則推理和輸出清晰化和知識庫這四部分都用軟件來實現。 第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)n 四、神經元網絡控制四、神經元網絡控制22 比較

11、適用于那些具有不確定性或高度非線性的控比較適用于那些具有不確定性或高度非線性的控制對象，并具有較強的適應和學習功能。制對象，并具有較強的適應和學習功能。 由許多人工神經元模型構成，用來模擬生物神經網絡的某些結構和功能。 圖9-10 人工神經元模型第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)23 jijjinijijniijijsfywxxwxwS1,0001輸入xi與輸出y的關系具有大規(guī)模并行性、冗余性、容錯性、本質非線性及自組織、自學習、自適應能力。 第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)24 是一種多層前饋網絡，它分輸入層、隱含層和輸出層，其神經元的變換函數為s形函數。圖9-11

12、BP網絡結構示意圖連接權的調整采用誤差修正反向傳播的學習算法。 第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)25 在基于精確模型的各種控制結構中充當對象的模型。 在反饋控制系統(tǒng)中直接充當控制器的作用。 在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中起優(yōu)化計算作用。 在與其他智能控制方法，如模糊控制、專家控制等相融合中，為其提供非參數化對象模型、優(yōu)化參數、推理模型和故障診斷等。 第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)26 根據不同觀點可以有不同的形式，目前尚無統(tǒng)一的分類標準。 一般可分為兩大類，即的神經控制和的智能控制。 第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)n 五、故障檢測與故障診斷五、故障檢測與故障診斷

13、27（1 1）提高元器件的可靠性。）提高元器件的可靠性。（2 2）系統(tǒng)的高可靠性設計。）系統(tǒng)的高可靠性設計。 簡化系統(tǒng)結構。 采用備份。（3 3）控制系統(tǒng)的容錯設計。）控制系統(tǒng)的容錯設計。（4 4）基于故障檢測和診斷技術的容錯設計。）基于故障檢測和診斷技術的容錯設計。 第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)28 控制系統(tǒng)的故障主要涉及以下幾方面：傳感器故障；執(zhí)行器故障；控制器故障；計算機故障等。 故障檢測是當控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，可以及時發(fā)現并報警。 故障診斷是分離出故障的部位，判別故障的類型，估計出故障的大小與時間，并作評價與決策。 第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)29（

14、1 1）基于控制系統(tǒng)動態(tài)模型的方法）基于控制系統(tǒng)動態(tài)模型的方法（2 2）不依賴于動態(tài)模型的方法）不依賴于動態(tài)模型的方法 診斷專家系統(tǒng)，用專家系統(tǒng)來診斷故障的方法。該系統(tǒng)主要有兩大部分：知識庫和推理機。 模糊數學的診斷方法。 模式識別診斷方法。這種方法適合于積累了大量有關故障的案例，一般診斷步驟如下。第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)30a.選擇能表達系統(tǒng)故障狀態(tài)的向量集，以此構成故障模式向量。b.根據故障向量中各參數的重要性，選擇故障狀態(tài)最敏感的特征參數，構成特征向量集，作為故障的基準模式集。c.由特征向量以一定方式構成判別函數，用來判別系統(tǒng)目前狀態(tài)屬于哪一個基準模式，或說系統(tǒng)屬于

15、哪種故障狀態(tài)。 人工神經元網絡診斷方法。 第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)n 六、解耦控制系統(tǒng)六、解耦控制系統(tǒng)31 若干個控制回路之間，可能會相互耦合，相互影響，構成多輸入-多輸出的相關（耦合）控制系統(tǒng)。 圖9-13 關聯嚴重的控制系統(tǒng)第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)32（1 1）合理匹配被控變量與操縱變量）合理匹配被控變量與操縱變量圖9-14 冷熱物料混合系統(tǒng)圖9-15 變量關系圖第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)33 針對以上情況，變量之間的匹配可以有： 是以Fh作為操縱變量，以T作為被控變量構成溫度控制系統(tǒng)，同時，以Fc作為操縱變量，以F作為被控變量構成流量控制系統(tǒng)； 是以Fh作為操縱變量，以F作為被控變量構成流量控制系統(tǒng)，同時，以Fc作為操縱變量，以T作為被控變量構成溫度控制系統(tǒng)。圖9-16 混合物料溫度和流量控制系統(tǒng)第三節(jié)第三節(jié) 其他新型控制系統(tǒng)其他新型控制系統(tǒng)34（2 2）控制器的參數整定）控制器的參數整定 在動態(tài)上設法通過控制器的參數整定，使兩個控制回路的工作頻率錯開，兩個控制器作用強弱不同。 （3 3）減少控制回路）減少控制回路（4 4）串接解耦控制）串接解耦控制圖9-17 雙輸入雙輸出串接