化工仪表及自动化（厉玉鸣）（第三版） 第14章 高级控制系统.ppt

化工仪表及自动化 第十四章 高级控制系统 内容提要 n 自适应控制系统 n参考模型自适应控制系统 n具有被控对象数学模型在线辨识的自适应控制系统 n 预测控制 n 智能控制系统 n 神经元网络控制 1 内容提要 n 模糊控制系统 n 最优控制系统 n 控制管理一体化 2 概述 n 新型控制系统的主要特征： 被控过程是多输入多输出的多变量系统,且变量之间互 相耦合; 被控过程的数学模型难以精确获得或具有明显的时变性 ; 控制算法丰富,不只局限于 PID形式,系统的目的不是简 单地实现输出控制; 控制工具不再是简单的模拟式控制器,而是采用各种大 、中、小、微型计算机。 3 第一节 自适应控制系统 自适应控制自适应控制是针对不确定性的系统而提出的。 分 类 对于自适应控制系统来说，根据不 确定性的不同情况，主要有两种类型: 确定性自适应控制系统 随机自适应控制系统 4 第一节 自适应控制系统 5 图14-1 参考模型自适应控制系统方块图 n 一、参考模型自适应控制系统 该类自适应控制系 统实际上是在原来的反 馈控制基础上附加一个 参考模型和一个控制器 参数的自动调整回路。 设计这类自适应控制系统的关键问题关键问题是如何综合自适应 律。目前综合自适应律有两种方法, 一种为参数最优化的综 合方法；另一种是基于稳定理论的综合方法。 第一节 自适应控制系统 n 二、具有被控对象数学模型在线辨识的自适应控制系统 n通过在线辨识获取对象的数学模型,然后由控制器对系统进行控 制。 被控过程 控制器辨识器 (K) (K) c(K) r(K) u(K) (K) x (K) + + + - 图14-2 具有在线辨识的自适应控制系统 图14-2中的辨识 器和控制器实质 上都是一些递推 计算公式。 6 第二节 预测控制系统 7 预测控制系统预测控制系统是一种基于模型的预测控制算法,其基 本思想是利用模型预测被控过程未来的输出及其与给定 值之差,并据此以某种优化指标计算当前应施加于过程的 控制作用。 - 参考轨迹 预测器 控制算法广义对象 内部模型 x y y y u u + + - 图14-3 预测控制系统 第三节 智能控制系统 8 智能控制系统智能控制系统是将人工智能与自动控制学科结合起来 的一种控制系统。它将一些定性的、叙述性的、法则性的 知识表述与处理方法应用于自动控制,或者与现有的控制规 律结合起来。 专家系统 是人工智能的一个重要分支，是一个 (或一组)能在 某特定领域内，以人类专家水平去解决该领域中困难问题 的计算机程序。 第三节 智能控制系统 专家系统的作用 作为理论研究理论研究的工具推动了人工智能的发展；作为 一种实用工具实用工具为人类提供了保存、传播、利用和评价知 识的有效手段。 影响专家系统的因素 主要取决于它所拥有知识的数量与质量。 9 第三节 智能控制系统 人机接口 推理机解释程序知识获取程序 综合数据库知识库 用户专家 图14-4 专家系统的一般结构 10 第三节 智能控制系统 举例 将专家系统应用于生产过程控制的一 种典型的结构 控制单元受控过程 专家系统 数学模型 模式识别 操作变量 被控变量 干扰 预估输出 期望输出 图14-5 智能控制系统 11 第三节 智能控制系统 专家系统的知识库集总了根据工艺规范、操作经 验等制定的调整受控过程输出变量达到最佳范围的一 系列控制策略。专家系统在知识库的基础上,通过推理 求解出相应的控制策略。这些控制策略提供了控制单 元中相关工艺变量的给定值。 智能控制可以置于基层控制、优化控制、甚至经 营管理的不同层次。 12 第四节 神经元网络控制 13 神经元之间以一定的连接方式进行信息的互相传 递，构成生物神经网络生物神经网络。 人工神经元网络人工神经元网络就是利用物理器件来模拟生物神 经网络的某些结构和功能。 图14-6 人工神经元模型 第四节 神经元网络控制 14 输入xi与输出y的关系 人工神经网络 定义 按一定方式连接而成的网络结构。 结构上分类前馈型的神经网络与反馈型的网络结构 从结构和实现机理方面加以模拟。 模拟方式是从功能上加以模拟。 模拟方法 第四节 神经元网络控制 神经元网络控制 作用 在基于精确模型的各种控制结构中充当被控对象的模型 ; 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、故障检测和诊断 分类 基于传统控制理论的神经控制和基于神经网络的智能 控制。 15 第五节 模糊控制系统 模糊控制系统模糊控制系统实质上是通过模糊控制器来代替人们用 自然语言描述的控制活动。 e 模糊 化 模糊算 法器 模糊 判决 受控 过程 d/dt 给定值 模糊控制器 输出y e e - 图14-7 模糊控制系统方块图 16 第五节 模糊控制系统 模糊控制器包括三个部分 模糊化 模糊算法器 模糊判决 为什么模糊控制的效果有时反而会优于一般的比例微分为什么模糊控制的效果有时反而会优于一般的比例微分 控制呢控制呢? ? 17 第六节 最优控制系统 要想使最优控制系统的设计和运行获得成功,必须 解决好三个关键的问题： 目标函数的确定 数学模型的建立和更新 优化技术的选定 18 第六节 最优控制系统 分类分类动态最优控制和静态最优控制 动态最优控制动态最优控制要求的数学模型应是动态的。解决 动态最优控制的方法主要有古典变分法、极大值原理 和动态规划法。 静态最优控制静态最优控制任务是寻找或确定在具体的工作环 境条件下,能使规定的目标函数达到极大 (或极小)的 各个控制器所应该具有的给定值。 被控变量保持或接近给定值，就能说明工况是最优的被控变量保持或接近给定值，就能说明工况是最优的 吗？吗？ 19 第六节 最优控制系统 根据操作优化控制的做法不同,大致有三种情况: 1.1.一次性调优一次性调优 操作优化控制的目标函数一般可以表示为 (14-1) 一次性调优就是在工作和环境条件基本不变的情况 下，通过一个阶段收集生产现场数据、分析、仿真、计 算等工作，求出各工艺变量的最优工作点，作为相应的 各控制器的给定值。 20 第六节 最优控制系统 2.2.开环的操作优化指导开环的操作优化指导 对于工作和环境条件不断变化，目标函数关系比较复 杂的情况，需要用计算机根据测得的工作和环境条件数据 进行计算,并给出各工艺变量的给定值来指导操作。 测量和计算都是在线进行的,但是对给定值的调整却 是离线的,即必须由操作人员来进行,监督控制没有构成闭 环形式。这时数学模型不十分精确,优化计算不十分可靠 的情况下, 使用这种开环指导的形式是比较安全的。 21 第六节 最优控制系统 3.3.闭环的操作优化控制闭环的操作优化控制 如果操作优化的计算结果可靠, 则给定值的调整可自 动进行，即把操作优化的回路闭合起来，形成闭环的操作 优化控制。 - 计算机 控制器对象 f u y x 图14-8 闭环操作优化控制方块图 22 第七节 控制管理一体化 n 既包含了若干子系统的闭环控制,又有大系统的协调控制 、最优控制以及决策管理, 称