第九章新型控制系統(tǒng)

第九章新型控制系統(tǒng)第一頁，共38頁。內(nèi)容提要自適應(yīng)控制系統(tǒng)變增益自適應(yīng)控制模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)直接優(yōu)化目標函數(shù)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)自校正控制系統(tǒng)預(yù)測控制預(yù)測控制的基本結(jié)構(gòu)預(yù)測控制的特點及應(yīng)用1第二頁，共38頁。內(nèi)容提要其他新型控制系統(tǒng)智能控制專家控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制故障檢測與故障診斷解耦控制系統(tǒng)推斷控制系統(tǒng)魯棒控制2第三頁，共38頁。第一節(jié)自適應(yīng)控制系統(tǒng)3自適應(yīng)控制系統(tǒng)：通過測取系統(tǒng)的有關(guān)信息，了解對象特性的變化情況，再經(jīng)過某種算法自動地改變控制器的可調(diào)參數(shù)，使系統(tǒng)始終運行在最佳狀況下。

根據(jù)自適應(yīng)控制的設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)的不同，可分四類。一、變增益自適應(yīng)控制圖9-1變增益自適應(yīng)控制找出影響對象參數(shù)變化的輔助變量，并設(shè)計好輔助變量與最佳控制器增益的有關(guān)表格。

關(guān)鍵點第四頁，共38頁。第一節(jié)自適應(yīng)控制系統(tǒng)二、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)4圖9-2模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)研究的主要問題在于設(shè)計一個穩(wěn)定的、具有較高性能的自適應(yīng)機構(gòu)的自適應(yīng)算法。第五頁，共38頁。第一節(jié)自適應(yīng)控制系統(tǒng)三、直接優(yōu)化目標函數(shù)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)5圖9-3直接優(yōu)化目標函數(shù)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)該系統(tǒng)選擇某個指定的目標函數(shù)為

對上述目標函數(shù)求極小，可采用隨機逼近法找到可調(diào)參數(shù)向量η，使系統(tǒng)的對象參數(shù)發(fā)生變化時，仍可運行在最佳狀態(tài)。第六頁，共38頁。第一節(jié)自適應(yīng)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(chǔ)上，增加了一個外回路。它由對象參數(shù)辨識器和控制器參數(shù)計算機構(gòu)組成。第七頁，共38頁。第二節(jié)預(yù)測控制一、預(yù)測控制的基本結(jié)構(gòu)7

四部分組成，預(yù)測模型、反饋校正、滾動優(yōu)化和參考軌跡。

圖9-5預(yù)測控制的基本結(jié)構(gòu)第八頁，共38頁。第二節(jié)預(yù)測控制81.預(yù)測模型

具有預(yù)測功能，能夠根據(jù)系統(tǒng)的現(xiàn)時刻的控制輸入以及過程的歷史信息，預(yù)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(yīng)曲線，而動態(tài)矩陣控制（DMC）采用的是系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。在預(yù)測控制中各種不同算法，采用不同類型的預(yù)測模型

預(yù)測模型具有展示過程未來動態(tài)行為的功能。

第九頁，共38頁。第二節(jié)預(yù)測控制92.反饋校正

由于對模型施加了反饋校正的過程，使預(yù)測控制具有很強的抗擾動和克服系統(tǒng)不確定的能力。預(yù)測控制中不僅基于模型，而且利用了反饋信息，因此預(yù)測控制是一種閉環(huán)優(yōu)化控制算法。第十頁，共38頁。第二節(jié)預(yù)測控制103.滾動優(yōu)化

預(yù)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(jù)預(yù)測模型由未來的控制策略決定的。預(yù)測控制采用滾動式的有限時域優(yōu)化策略。

第十一頁，共38頁。第二節(jié)預(yù)測控制114.參考軌跡

它是設(shè)定值經(jīng)過在線“柔化”后的產(chǎn)物。最廣泛采用的參考軌跡為一階指數(shù)變化的形式，它可以使急劇變化的信號轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^緩慢變化的信號。第十二頁，共38頁。第二節(jié)預(yù)測控制二、預(yù)測控制的特點及其應(yīng)用12從控制方式上預(yù)測控制。預(yù)測控制的預(yù)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(fù)雜性因素。預(yù)測控制對數(shù)學(xué)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。

特點第十三頁，共38頁。第二節(jié)預(yù)測控制13應(yīng)用

國外已經(jīng)形成許多以預(yù)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(guān)等，在先進控制與優(yōu)化控制方面積累了許多經(jīng)驗，成功應(yīng)用實例亦不少，部分成果已逐漸形成商品化軟件。第十四頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)一、智能控制141.智能控制的基本概念

智能控制系統(tǒng)是實現(xiàn)某種控制任務(wù)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。圖9-6智能控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)第十五頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)15智能控制系統(tǒng)的主要功能特點：①學(xué)習(xí)功能②適應(yīng)功能③組織功能第十六頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)162.智能控制的主要類型根據(jù)智能控制系統(tǒng)的定義和控制功能分類：①自尋優(yōu)智能控制器⑤自修復(fù)智能控制器②自學(xué)習(xí)智能控制器⑥自鎮(zhèn)定智能控制器③自適應(yīng)智能控制器⑦自協(xié)調(diào)智能控制器④自組織智能控制器⑧自繁殖智能控制器第十七頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)二、專家控制系統(tǒng)171.專家控制系統(tǒng)概念

專家控制系統(tǒng)是指將專家系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范和運行機制與傳統(tǒng)控制理論和技術(shù)相結(jié)合而成的實時控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法。根據(jù)專家系統(tǒng)技術(shù)在控制系統(tǒng)中應(yīng)用的復(fù)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(zhì)，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(fù)雜過程實現(xiàn)高品質(zhì)的控制。第十八頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)2.專家控制系統(tǒng)的類型

根據(jù)專家控制系統(tǒng)在過程控制中的用途和功能，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(shù)，可分為產(chǎn)生式專家控制系統(tǒng)和框架式專家控制系統(tǒng)等。

18第十九頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)193.專家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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。算法庫部分主要完成數(shù)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(shè)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(xiàn)與知識基系統(tǒng)直接交互聯(lián)系，與算法庫進行間接聯(lián)系。圖9-7專家控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖第二十頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)三、模糊控制系統(tǒng)20優(yōu)點具有實時性好，超調(diào)量小，抗干擾能力強，穩(wěn)態(tài)誤差小等。1.模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)第二十一頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)212.模糊控制的幾種方法①查表法將輸入量的隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則及輸出量的隸屬度函數(shù)都用表格來表示。②專用硬件模糊控制器用硬件直接實現(xiàn)上述的模糊推理。優(yōu)點是推理速度快，控制精度高。③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(xiàn)。第二十二頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)四、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制22

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(yīng)和學(xué)習(xí)功能。1.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

由許多人工神經(jīng)元模型構(gòu)成，用來模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某些結(jié)構(gòu)和功能。圖9-10人工神經(jīng)元模型第二十三頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)23輸入xi與輸出y的關(guān)系優(yōu)點具有大規(guī)模并行性、冗余性、容錯性、本質(zhì)非線性及自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力。第二十四頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)24反向傳播網(wǎng)絡(luò)

是一種多層前饋網(wǎng)絡(luò)，它分輸入層、隱含層和輸出層，其神經(jīng)元的變換函數(shù)為s形函數(shù)。圖9-11

BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖連接權(quán)的調(diào)整采用誤差修正反向傳播的學(xué)習(xí)算法。第二十五頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)252.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制中的主要作用①在基于精確模型的各種控制結(jié)構(gòu)中充當(dāng)對象的模型。②在反饋控制系統(tǒng)中直接充當(dāng)控制器的作用。③在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中起優(yōu)化計算作用。④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(shù)化對象模型、優(yōu)化參數(shù)、推理模型和故障診斷等。第二十六頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)263.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的分類

根據(jù)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，即基于傳統(tǒng)控制理論的神經(jīng)控制和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制。第二十七頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)五、故障檢測與故障診斷271.提高控制系統(tǒng)可靠性的主要方法（1）提高元器件的可靠性。（2）系統(tǒng)的高可靠性設(shè)計。①簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。②采用備份。（3）控制系統(tǒng)的容錯設(shè)計。（4）基于故障檢測和診斷技術(shù)的容錯設(shè)計。

第二十八頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)282.主要故障

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。3.故障檢測和診斷的含義

故障檢測是當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，可以及時發(fā)現(xiàn)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。第二十九頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)294.故障檢測和診斷的主要方法（1）基于控制系統(tǒng)動態(tài)模型的方法（2）不依賴于動態(tài)模型的方法①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。②模糊數(shù)學(xué)的診斷方法。③模式識別診斷方法。這種方法適合于積累了大量有關(guān)故障的案例，一般診斷步驟如下。第三十頁，共38頁。第三節(jié)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(gòu)成故障模式向量。b.根據(jù)故障向量中各參數(shù)的重要性，選擇故障狀態(tài)最敏感的特征參數(shù)，構(gòu)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(gòu)成判別函數(shù)，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)屬于哪種故障狀態(tài)。④人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)診斷方法。第三十一頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)六、解耦控制系統(tǒng)311.系統(tǒng)間的耦合現(xiàn)象

若干個控制回路之間，可能會相互耦合，相互影響，構(gòu)成多輸入-多輸出的相關(guān)（耦合）控制系統(tǒng)。圖9-13關(guān)聯(lián)嚴重的控制系統(tǒng)第三十二頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)322.減少與解除耦合的途徑（1）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(guān)系圖第三十三頁，共38頁。第三節(jié)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兩種方案：

一個方案是以Fh作為操縱變量，以T作為被控變量構(gòu)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(gòu)成流量控制系統(tǒng)；

另一個方案是以Fh作為操縱變量，以F作為被控變量構(gòu)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(gòu)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)第三十四頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)34（2）控制器的參數(shù)整定

在動態(tài)上設(shè)法通過控制器的參數(shù)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）減少控制回路（4）串接解耦控制圖9-17雙輸入雙輸出串接解耦系統(tǒng)框圖第三十五頁，共38頁。第三節(jié)其他新型控制系統(tǒng)