過程控制第三章 先進控制系統(tǒng)

過程控制課件第三章先進控制系統(tǒng)第1頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第2頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第3頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)狀態(tài)反饋控制

在有些系統(tǒng)中，狀態(tài)變量是可以直接測量的，例如圖示系統(tǒng)中，操縱變量是液體流入量q，而h1、h2和h3這三個液位信號都可作為狀態(tài)變量，系統(tǒng)方程是第4頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四qh1Qoh2h3R3C3C2R2R1C1第5頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四寫成這樣的標準形式A=設(shè)h3作為輸出變量y，則在y＝Cx式中第6頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

為了控制最下面一個貯槽的液位h3，可以有各種方法：取y3為被控變量，q為操縱變量，構(gòu)成簡單控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)是三階的，過程滯后較大。取y3為主被控變量，y2或（及）y1為副被控變量，構(gòu)成液位－液位串級控制系統(tǒng)。在簡單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在控制器輸出端加上來自h1和h2的輔助變量信號。這種引入輔助變量的系統(tǒng)，能與串級控制系統(tǒng)一樣及早地發(fā)現(xiàn)某些擾動的影響，并使過渡過程的動態(tài)指標有所改進。第7頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四與第（3）種方法相似，我們可以直接取狀態(tài)變量進行反饋，即取

式中的K為反饋矩陣，設(shè)令x為n維，u為m維，則K是一個多維矩陣，第8頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四其元素kij一般為系數(shù)，必要時也可包括動態(tài)環(huán)節(jié)。如果某一狀態(tài)變量x不好測得，或其他原因未進行反饋，則K矩陣中第j列的元素為零。狀態(tài)反饋系統(tǒng)的框圖見圖

C

K

u

x

yx=Ax+Bu第9頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四設(shè)計狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是決定反饋向量K。通常有兩種方法：（a）以實現(xiàn)線性二次型最優(yōu)性能指標為目標求K。這一方法最終歸結(jié)為Riccati方程的求解，稱線性最優(yōu)控制。（b）零極點配置方法。它是通過選取狀態(tài)反饋陣K，使閉環(huán)系統(tǒng)的特征值滿足給定的要求，從而實現(xiàn)期望的閉環(huán)響應(yīng)。第10頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四示例：

要求極點：-2,-1+j,-1-j設(shè)計狀態(tài)反饋求k1,k2,k3=第11頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四要求；

第12頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)狀態(tài)反饋控制

一、狀態(tài)反饋和極點控制1.控制系統(tǒng)的描述★狀態(tài)空間表達式★傳遞函數(shù)矩陣★輸入輸出差分方程2.狀態(tài)反饋和輸出反饋3.極點配置4.狀態(tài)反饋矩陣K的計算★Ackermann公式直接計算狀態(tài)反饋矩陣★控制器規(guī)范型系統(tǒng)狀態(tài)反饋矩陣K的計算二、狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計和工程應(yīng)用中的問題1.消除控制系統(tǒng)的余差2.狀態(tài)變量的獲取3.閉環(huán)極點的確定第13頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)預(yù)測控制一、預(yù)測控制的基本特征1.基本概念2.預(yù)測控制的基本算法★預(yù)測模型★反饋校正★滾動優(yōu)化★參考軌線二、預(yù)測控制系統(tǒng)實施時應(yīng)注意的問題1.穩(wěn)態(tài)余差2.參數(shù)選擇3.具有時滯或反向特性系統(tǒng)的預(yù)測控制4.反饋校正和過程病態(tài)的消除5.約束的表示6.輸入輸出軌跡三、預(yù)測控制算法第14頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)解耦控制一、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析和相對增益1.多變量控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)2.相對增益陣列★兩個增益★相對增益★相對增益的特點★多輸入多輸出系統(tǒng)的相對增益陣列二、解耦控制的設(shè)計和工程應(yīng)用中的問題1.解耦控制系統(tǒng)設(shè)計原則2.減少與解除耦合的途徑3.串接解耦裝置的設(shè)計4.工程應(yīng)用中的有關(guān)問題★其他控制器的影響★動態(tài)耦合的影響★偏置值的設(shè)置和解耦裝置的簡化第15頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)軟測量和推斷控制一、軟測量技術(shù)1.軟測量技術(shù)概述2.回歸法建模3.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建模4.模型的校正5.示例二、推斷控制系統(tǒng)1.推斷控制基本原理★信號分離★估計器E(s)★推斷控制器2.推斷反饋控制★主要被控變量y不可測時的推斷反饋控制★主要被控變量y可測時的推斷反饋控制第16頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第五節(jié)自適應(yīng)控制和魯棒控制一、自適應(yīng)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和類型1.自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2.自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本類型3.過程辨識的實驗方法二、簡單自適應(yīng)控制系統(tǒng)1.依據(jù)偏差自動調(diào)整控制器參數(shù)2.依據(jù)擾動自動調(diào)整控制器參數(shù)三、自整定控制器1.繼電器型自整定控制器2.波形識別自整定控制器四、自校正控制器1.自校正控制器的基本結(jié)構(gòu)2.最小方差控制器五、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)1.模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2.參數(shù)最優(yōu)化方法3.基于李亞普諾夫穩(wěn)定性理論的方法六、魯棒控制第17頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第六節(jié)時滯補償控制一、Smith預(yù)估補償控制1.Smith預(yù)估補償控制原理2.實施Smith預(yù)估補償控制時的注意事項3.內(nèi)?？刂贫⑵渌麜r滯補償控制系統(tǒng)1.增益自適應(yīng)補償控制2.觀測補償控制★觀測器的基本原理★觀測補償控制系統(tǒng)的分析★實施時的注意事項3.預(yù)估校正控制系統(tǒng)★控制方案★性能分析★實施中的問題第18頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第七節(jié)智能控制一、智能控制概述二、專家系統(tǒng)1.專家系統(tǒng)概述2.知識表示3.推理機制三、模糊控制1.模糊理論基礎(chǔ)★隸屬函數(shù)和模糊集★模糊集運算2.模糊控制和模糊控制器的設(shè)計★模糊控制器基本結(jié)構(gòu)★模糊控制知識表述★基本模糊控制器的設(shè)計★模糊控制器的分析四、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制1.人工神經(jīng)元2.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自動化中的應(yīng)用第19頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第八節(jié)監(jiān)督控制一、監(jiān)督控制概述二、操作優(yōu)化控制1.操作優(yōu)化的過程變量確定★目標函數(shù)的確定★運行變量x的確定2.約束條件的確定3.優(yōu)化算法的確定三、統(tǒng)計過程控制1.統(tǒng)計控制圖2.主元分析和部分最小二乘★主元分析★部分最小二乘第20頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第九節(jié)故障檢測診斷和容錯控制一、故障檢測診斷的基本概念1.基本概念2.故障檢測和診斷的主要方法★基于動態(tài)數(shù)學(xué)模型的方法★基于知識的方法二、工況監(jiān)測控制三、容錯控制1.容錯控制的意義2.幾類利用冗余信息的容錯控制系統(tǒng)★不設(shè)置FDD裝置的容錯控制系統(tǒng)★基于故障檢測和診斷的容錯控制第21頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第十節(jié)綜合自動化一、綜合自動化的意義整個生產(chǎn)過程實質(zhì)上是一個數(shù)據(jù)采集、傳遞和加工的過程最后形成的產(chǎn)品可以看作是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)二、綜合自動化系統(tǒng)的的特點遞階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成和信息集成控制和管理一體化三、現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線共有八類現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)把控制功能徹底分散現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)軟件包括：現(xiàn)場總線組態(tài)軟件、維護軟件、仿真軟件、現(xiàn)場設(shè)備管理軟件等第22頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第23頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第24頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第25頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第26頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第27頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第28頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第29頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第30頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第31頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第32頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第33頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第34頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回預(yù)測控制基本結(jié)構(gòu)圖第35頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第36頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第37頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第38頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回預(yù)測控制的優(yōu)點第39頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第40頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第41頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四下一頁第42頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四下一頁上一頁第43頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四上一頁返回第44頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第45頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第46頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第47頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回下一頁第48頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁下一頁第49頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁下一頁示例第50頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第51頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁下一頁示例第52頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第53頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁示例第54頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回程序第55頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第56頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第57頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回下一頁第58頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁下一頁第59頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁下一頁示例結(jié)論第60頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第61頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第62頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁第63頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回下一頁第64頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁下一頁第65頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁第66頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第67頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回示例第68頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第69頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第70頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回下一頁第71頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁下一頁第72頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁下一頁第73頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁第74頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回下一頁第75頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁下一頁第76頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁下一頁第77頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁第78頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回下一頁第79頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回上一頁第80頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第81頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回第82頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四返回下一頁第83頁，共100頁，20