计算机时代下的自动控制理论及自动化技术(2017大学报告)

1、 TELE-mail: http:/计算机时代下的计算机时代下的自动控制理论与自动化技术自动控制理论与自动化技术2、电子元器件与数字计算机的发展简史、电子元器件与数字计算机的发展简史报告内容报告内容3、自动控制理论发展的三个阶段、自动控制理论发展的三个阶段4、计算机时代控制理论的数学工具、计算机时代控制理论的数学工具5、系统智能建模方法、系统智能建模方法6、自动控制系统分析与优化设计、自动控制系统分析与优化设计1、自动控制学科简述、自动控制学科简述我们每个人都生活在我们每个人都生活在4维空间，我们的维空间，我们的思想、理念、思想、理念、知识、理论知识、理论和和技术技术

2、都是都是时间时间的变量的变量 韩璞韩璞问题描述问题描述设计一个自动控制系统：设计一个自动控制系统：控制系统任务：控制系统任务：在一定的品质指标下在一定的品质指标下消除一切扰动，维持被控量为希望值消除一切扰动，维持被控量为希望值时域指标时域指标频域指标频域指标开环控制系统的品质指标开环控制系统的品质指标品质要求：品质要求：按程序步运行按程序步运行“自动控制理论自动控制理论” 所要解决的问题所要解决的问题1、被控对象的数学模型、被控对象的数学模型2、控制系统的调节品质指标、控制系统的调节品质指标3、控制系统的结构、控制系统的结构4、控制器结构或算法（、控制器结构或算法（PID等）等）5、最优品质指

3、标下的控制器结构或参数、最优品质指标下的控制器结构或参数自动控制对象自动控制对象1、过程控制、过程控制2 运动控制运动控制3 程序控制程序控制数控机床数控机床生产线生产线轨道交通轨道交通大型设备的启停大型设备的启停切削加工自适应控制系统切削加工自适应控制系统理论控制参数理论控制参数控制控制装置装置实际控制参数实际控制参数切削过程切削过程机床刀具工件测量传感器测量传感器刀具磨损刀具变老切削力功率振动切削温度尺寸精度表面粗糙度测量值的处理测量值的处理约束条件约束条件目标函数目标函数刀具磨损切削力振动尺寸误差表面粗糙度生产率生产成本 主轴参数主轴参数进给速度进给速度背吃刀量背吃刀量-+大型引风机启动

4、逻辑程序步骤混杂系统混杂系统生产（运动）生产（运动）过程过程系统系统自动化设备（系统）自动化设备（系统）自动控制理论主要针对自动控制理论主要针对生产（运动）过程生产（运动）过程系统系统4 混杂系统混杂系统电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路微处理器微处理器1947年发明年发明5070年代使用年代使用1971年年80年代后得到年代后得到了快速发展了快速发展1961年发明年发明7080年代使用年代使用1904年发明年发明1、控制器元器件发展、控制器元器件发展运算放大器：运算放大器：60年代晚期集成电路年代晚期集成电路1930年电子管年电子管1950年后晶体管年后晶体管第一代：第一代：电子管计算

5、机电子管计算机 第二代：第二代：晶体管计算机晶体管计算机 第三代：第三代：集成电路计算机集成电路计算机 第四代：第四代：大规模集成电路计算机大规模集成电路计算机 1946年年2月月14日日 世界上第一台计算机诞生世界上第一台计算机诞生 (1964-1971)（1967年年1978年）年）1951：无操作系统，机器指令或汇编语言：无操作系统，机器指令或汇编语言（1957-1964）中国中国第一台第一台19672、计算机的发展历程、计算机的发展历程计算机硬件结构计算机硬件结构冯诺依曼冯诺依曼（1.8万只，占地万只，占地170m2,30t）第五代：第五代：智能计算机：智能计算机： 第六代：第六代：生

6、物计算机生物计算机 （一个蛋白质分子就是存储体）（一个蛋白质分子就是存储体） 能够模拟、延伸、扩展能够模拟、延伸、扩展人类的智能人类的智能（1980年代年代）1983年美国提出生物计算机的概念，目前正在研究发展，还没有被商业化年美国提出生物计算机的概念，目前正在研究发展，还没有被商业化3、微处理器（、微处理器（CPU）与个人计算机（）与个人计算机（PC）1、1971年，年，Intel公司首先推出了世界上第一个公司首先推出了世界上第一个4位微处理器芯片位微处理器芯片Intel 4004同年，第一台使用了同年，第一台使用了4004芯片的微型计算机诞生了。芯片的微型计算机诞生了。2、1972年年In

7、tel公司推出了公司推出了8位微处理器芯片位微处理器芯片8008，之后的几年中，之后的几年中，8位微型计算机得到了飞速的发展。其中最为著名的是苹果公司的位微型计算机得到了飞速的发展。其中最为著名的是苹果公司的Apple II3、1978年年Intel公司推出了公司推出了16位微处理器芯片位微处理器芯片80865、1985年年Intel公司推出公司推出32位微处理器位微处理器803864、1981年第一年第一部桌上型计算机部桌上型计算机IBMPC(personal computer）计算机硬件结构计算机硬件结构总线结构总线结构J.C.Maxwell 发表发表了了“论调节器论调节器”1868年19

8、48年维纳发表了年维纳发表了控制论控制论在这一时期，在这一时期，使用的电子元器件是电子管，存在着体积、质量和使用寿使用的电子元器件是电子管，存在着体积、质量和使用寿命等都诸多问题，命等都诸多问题，当时又当时又没有计算机作为计算工具没有计算机作为计算工具，所以，不得不根据，所以，不得不根据经验选用合适的、简单的、工程上易于实现的控制器，采用人工做草图经验选用合适的、简单的、工程上易于实现的控制器，采用人工做草图和表的方法，对控制系统进行分析与优化设计，进而使得控制算法能在和表的方法，对控制系统进行分析与优化设计，进而使得控制算法能在实际工程中得以实现并能满足控制品质要求。实际工程中得以实现并能满

9、足控制品质要求。1、经典控制理论阶段、经典控制理论阶段(1868-1948年）年）不能在时域求出不能在时域求出微分方程的解析微分方程的解析解和数值解解和数值解变换到复频域变换到复频域用做草图的用做草图的方法求解微方法求解微分方程分方程控制器：控制器：P超前超前滞后补偿滞后补偿1, 11111TsTsTsTsvcK速度误差系数剪切频率，增益裕度相角裕度,Lg（超调量和过渡时间）（超调量和过渡时间）频率域品质指标频率域品质指标：rye)( skG比例控制是有差控制，仅适合无自平衡对象比例控制是有差控制，仅适合无自平衡对象经典控制理论更适合运动过程系统经典控制理论更适合运动过程系统)2+(4=)(s

10、sKsWs例：例：) 1+01. 0)(1+05. 0(=)(sssKsWs) 1+5 . 0)(1+(=)(sssKsWs)6+3)(6+(6=)(sssKsWs经典控制理论主要贡献经典控制理论主要贡献1）传递函数）传递函数1942年年 H.Harris定义定义了传递函数了传递函数：在零初始条件下，系统输：在零初始条件下，系统输出的拉氏变换与输入拉氏变换只比。然而，出的拉氏变换与输入拉氏变换只比。然而，拉氏变换是法国数学拉氏变换是法国数学家、天文学家家、天文学家拉普拉斯拉普拉斯（ Laplace）于）于1812年提出来的，主要年提出来的，主要用来求解微分、积分方程，偏微分方程。用来求解微分、

11、积分方程，偏微分方程。2）劳斯稳定性判据）劳斯稳定性判据01110111)()(asasasabsbsbsbsRsYnnnnmmmm闭环传函0)()(0111KaKsasasannnn特征方程劳斯表：劳斯表：缺陷：缺陷：1、求闭环传递函数困难、求闭环传递函数困难2、只能得到临界稳定点、只能得到临界稳定点劳斯于劳斯于1877年提出的稳定性判据能够判定一个多项式方程中年提出的稳定性判据能够判定一个多项式方程中是否存在位于是否存在位于复平面复平面右半部的正根，而不必求解方程右半部的正根，而不必求解方程 3）根轨迹法判据）根轨迹法判据0)()(0111KaKsasasannnn特征方程缺陷：缺陷：1、

12、求闭环传递函数困难、求闭环传递函数困难2、绘制根轨迹困难、绘制根轨迹困难3、只能是一个参数的根轨迹、只能是一个参数的根轨迹4、很难给出闭环极点要求、很难给出闭环极点要求1948年，年，W.R.Evans提出了一种求特征根的简单方法，这一方法不提出了一种求特征根的简单方法，这一方法不直接求解直接求解特征方程特征方程，用作图的方法表示特征方程的根与系统某一参数，用作图的方法表示特征方程的根与系统某一参数的全部数值关系的全部数值关系4）奈奎斯特稳定性判据）奈奎斯特稳定性判据)()()(jGjejGjG开环频率特性函数缺陷：缺陷：1、给出频域品质指标困难、给出频域品质指标困难2、频率特性曲线难于绘制、

13、频率特性曲线难于绘制美国学者美国学者H.奈奎斯特奈奎斯特1932年提出：根据年提出：根据闭环控制系统闭环控制系统的的开环开环频频率响应率响应判断判断闭环系统闭环系统稳定性的准则。奈奎斯特稳定判据只能用于稳定性的准则。奈奎斯特稳定判据只能用于单单变量变量线性定常系统线性定常系统。伯德图是由伯德图是由贝尔实验室贝尔实验室的荷兰裔科学家的荷兰裔科学家Bode，H.W. 在在1940年提出。年提出。Bode发明了一种简单但准确的方法绘制增益及相位的图。发明了一种简单但准确的方法绘制增益及相位的图。 5）伯德图）伯德图缺陷：缺陷：必须已知传递函数中的所有参数必须已知传递函数中的所有参数对离散时间系统进行

14、对离散时间系统进行拉普拉斯拉普拉斯变换时，遇到了变换时，遇到了 。定义：。定义：sTsesTsez 1947年由年由W. Hurewicz提出，用来解决线性常系数差分方程提出，用来解决线性常系数差分方程1952年，在哥伦比亚大学被年，在哥伦比亚大学被Ragazzini和和Zadeh冠以冠以“the z-transform”称为称为Z变换变换6）z传递函数传递函数nnmmzazazaazbzbzbbzUzYzG2211022110)()()(脉冲传递函数脉冲传递函数XjY缺陷：缺陷：1、求脉冲传递函数困难、求脉冲传递函数困难2、分析方法难于掌握、分析方法难于掌握7）描述函数与相平面）描述函数与相

15、平面相平面相平面描述函数描述函数缺陷：缺陷：频域法的所有缺陷频域法的所有缺陷8）PID控制律控制律1936年 考德伦)1 . 0111 (11 . 01)()(sTsTsTsTsKsKKsEsUddiddipPID控制律蕴含着“哲学”思想：P（比例）根据当下（现在）的偏差实施控制；I（积分）根据积累（过去）的偏差实施控制；D（微分）根据偏差的变化率（未来）实施控制。经典控制理论的无能为力经典控制理论的无能为力!%30Mp100rt400st98. 076. 0品质要求：品质要求：u2)(tu某火电站主汽温度控制系统某火电站主汽温度控制系统?=,iT0dipkskk101s5232ssPID某飞

16、机俯仰姿态自动控制系统某飞机俯仰姿态自动控制系统控制器控制器升降舵伺服电机升降舵伺服电机飞机本体飞机本体垂直陀螺仪垂直陀螺仪?,dipkkkskkips003. 0175. 0s689. 011278y1.1-1.13.5-3.50.750.035I(t)?,ipkk某导弹控制系统某导弹控制系统导弹旋转初始角速度导弹旋转初始角速度62.8ran在在19501960年代蓬勃兴起的年代蓬勃兴起的航空航天技术的推动和计算机技术飞航空航天技术的推动和计算机技术飞速发展速发展的支持下，控制理论在的支持下，控制理论在1960年前后有了重大的突破和创新年前后有了重大的突破和创新。1960年卡尔曼年卡尔曼发表

17、了发表了著名文章著名文章线性滤波与预测问题的新方法线性滤波与预测问题的新方法2、现代控制理论阶段、现代控制理论阶段（19501960年代）年代）在该文章中出现了名词在该文章中出现了名词现代控制理论现代控制理论现代控制理论的核心思想：现代控制理论的核心思想：被控对象的描述：被控对象的描述： 在时间域里用状态方程描述多输入多输出系统在时间域里用状态方程描述多输入多输出系统控制策略：控制策略： 状态反馈状态反馈品质指标：品质指标：1、特征方程极点位置、特征方程极点位置0=+=)(0111asasasBgkAsInnn-状态反馈控制系统设计方法状态反馈控制系统设计方法1、跟匹配法、跟匹配法给出所希望的

18、闭环系统特征方程：给出所希望的闭环系统特征方程：0=+*0*11*1asasasnnn-2、最优控制、最优控制1892年，他的博士论文年，他的博士论文论运动稳定性的一般问题论运动稳定性的一般问题 没有必要讨论一般性问题，具体问题具体分析没有必要讨论一般性问题，具体问题具体分析只需要按稳定性定义，用计算机直接求解即可！只需要按稳定性定义，用计算机直接求解即可！控制系统分析方法控制系统分析方法李雅普诺夫稳定性理论李雅普诺夫稳定性理论现代控制理论的无能为力现代控制理论的无能为力!判断可控性、可观性判断可控性、可观性没有必要，也很困难没有必要，也很困难)()()()()()()()()()(sUsGs

19、DsAsZsUsGsDsBsYpsp 脱丁烷精馏塔两端产品的质量控制脱丁烷精馏塔两端产品的质量控制18032. 017862. 017015. 317526.2512547.5017546. 017010. 116545. 417092.3515002.4215 . 160. 41396. 31547. 011043.161528.181575. 41863. 31523. 411291.1511229.111509. 61859. 31528. 51978. 91999. 7)(ssssssssssssssssssssssssssATpssssssssssssG17046. 317082.

20、611830. 21579. 31470. 21670 .301650 .3613028. 811580. 91847. 7)(130099. 01300029. 0140045. 01130259. 01150174. 0185002. 01800043. 01700199. 0172163. 0172188. 0)(sssssssssssB1700768. 0118015. 01750305. 0170173. 0)(sssssGp状态反馈控制：状态反馈控制：很难给出闭环极点很难给出闭环极点3、智能控制理论阶段、智能控制理论阶段（1970年代年代）2）化工过程、车间、煤矿采掘面等各种工业过

21、程要求实现的最简化工过程、车间、煤矿采掘面等各种工业过程要求实现的最简单的任务有：监控、预警等，远远超出镇定的范围单的任务有：监控、预警等，远远超出镇定的范围现代工程系统现代工程系统的需要：的需要：1）车间调度控制，在工程上称为柔性制造系统（车间调度控制，在工程上称为柔性制造系统（FMS）及计算机）及计算机集成制造系统（集成制造系统（CIMS）。 离散事件动态系统（离散事件动态系统（DEDS）理论）理论，要求完成的任务已远比镇定要求完成的任务已远比镇定复杂多了复杂多了机器人班组控制机器人班组控制，要求跟踪、操作、适应复杂环境、自主控，要求跟踪、操作、适应复杂环境、自主控制之外，还要求能避免内力

22、对抗、运动及力量的协调等制之外，还要求能避免内力对抗、运动及力量的协调等太空飞行器上的太空飞行器上的空间机器人空间机器人，具有自己的特点：多体系统、，具有自己的特点：多体系统、受非完整约束、自主控制、遥控、装配等等。受非完整约束、自主控制、遥控、装配等等。拟人机器人拟人机器人，要求具有计算机视觉、触觉、声觉、自主控制、，要求具有计算机视觉、触觉、声觉、自主控制、应付复杂环境（避碰、避雨及雷电）等等。应付复杂环境（避碰、避雨及雷电）等等。3）拟人机器人、拟人机器人、智能机器人智能机器人及车，要求实现的任务更是多种多样及车，要求实现的任务更是多种多样的，如跟踪、代替人做各种操作以及简单的装配任务等

23、。的，如跟踪、代替人做各种操作以及简单的装配任务等。（1）先进控制器）先进控制器自适应与预测控制自适应与预测控制（2）智能控制器）智能控制器 在在70年代中期前后，以模糊集合论为基础，从模仿人的控制决策思想出年代中期前后，以模糊集合论为基础，从模仿人的控制决策思想出发，智能控制在另一个方向发，智能控制在另一个方向规则控制（规则控制（rule-based control）上取得了）上取得了重要的进展。重要的进展。70年代可以看作是智能控制的形成期。年代可以看作是智能控制的形成期。模糊控制器模糊控制器（3）智能控制系统）智能控制系统从从70年代初开始，傅京孙、年代初开始，傅京孙、Gloriso和和

24、Saridis等人从控制论等人从控制论角度进一步总结了人工智能技术与自适应、自组织自学习控制的角度进一步总结了人工智能技术与自适应、自组织自学习控制的关系，正式提出了智能控制就是人工智能技术与控制理论的交叉，关系，正式提出了智能控制就是人工智能技术与控制理论的交叉，并创立了人并创立了人-机交互式分级递阶智能控制的系统结构。机交互式分级递阶智能控制的系统结构。 控制系统的任务不再是单一的稳定性问题，而是对复杂系统的整体控制控制系统的任务不再是单一的稳定性问题，而是对复杂系统的整体控制要求，甚至直接对系统生产出的产品质量提出要求。要求，甚至直接对系统生产出的产品质量提出要求。 控制策略也不再是控制

25、回路中单一的控制算法，而是针对多种控制任务控制策略也不再是控制回路中单一的控制算法，而是针对多种控制任务而设计的智能控制系统。而设计的智能控制系统。差分方程差分方程传递函数传递函数微分方程微分方程数学模型的发展过程数学模型的发展过程17世纪（世纪（1684年）年）1942年年 H.Harris1812年年 Laplace差分方程差分方程传递函数传递函数微分方程微分方程仿真程序仿真程序数字仿真过程：数字仿真过程：（1）（3）（2）1、数字仿真、数字仿真)25ln(2tty求：5tyttyttydtdyyttt)()(lim000000001. 0t的值的值令：令：1414. 0)5255ln()

26、5(255ln(225tttyt，则有：，则有：1414. 0251525ttty根据导数的定义：已知已知求微分：求微分：10023sincossincosdttttteyt4958. 6)sec(100sintteyt求积分：求积分：tktktktktktktkey/10123sin4958. 6cossincos0001. 0t1)()(85tytyssyssy1)()(85185851) 185(1)(sssssy851)(tety1)()() 1(85TkyTTkyTky 1)(85)() 1(TkyTTkyTky05010015020025030035040045050000.10.

27、0.91tyx=0;DT=1;for k=1:1:500 x=x+DT/85*(-x+1);y(k)=x;Endplot(y)求解微分方程：求解微分方程：),(),()() 1(),(),()() 1(lim)(lim),(),()(00tktkutkXfttkXtkXtktkUtkXfttkXtkXtXtXttUtXftXtt)()1 ()() 1(1)()(tkUeKtkXetkXTsKsUsXTtTt欧拉公式欧拉公式离散相似离散相似公式公式)11 (1sTi)6 .531)(541 (6369. 0ss1601T1tp0p+-传递函数传递函数方框图方

28、框图（1）实例实例sTexi11suxPI5416369. 02sxx6 .53112330 xpe11xeuPIsTexi11suxPI5416369. 02sxx6 .53112330 xpe11xeuPIeTxi11PIuxx546369. 0541222336 .5316 .531xxx3xpt30 xpe11xeuPI3xpt微分方程微分方程传递函数传递函数（2）)(6369. 0)(54)() 1(222kTukTxTkTxTkxPI)(60)() 1(11kTeTkTxTkx)()(6 .53)() 1(2333kTxkTxTkTxTkx) 1() 1(3TkxTkpt)()()

29、(30kTxkTpkTe)()(1)(1kTxkTekTuPIeTxi11PIuxx546369. 0541222336 .5316 .531xxx3xpt30 xpe11xeuPI差分方程差分方程微分方程微分方程（3）clear all;DT=1;ST=800;LP=ST/DT;Q=0;DTA=0.52;Ti=65;x1=0;x2=0;x3=0;R=1;for i=1:LP e=R-x3; x1=x1+DT/DTA/Ti*e; upi=e/DTA+x1; x2=x2+DT*0.6369*(-x2+upi)/54; x3=x3+DT*(-x3+x2)/53.6; t(i)=i*DT;y(i)=

30、x3;endplot(t,y,b);hold on;)(6369. 0)(54)() 1(222kTukTxTkTxTkxPI)(60)() 1(11kTeTkTxTkx)()(6 .53)() 1(2333kTxkTxTkTxTkx) 1() 1(3TkxTkpt)()()(30kTxkTpkTe)()(1)(1kTxkTekTuPI差分方程差分方程仿真程序仿真程序（4）010020030040050060070080000.811.21.4两项任务：两项任务：无论做任何工作，人们总希望选用所有可能方案中最优的方案无论做任何工作，人们总希望选用所有可能方案中最优的方案一、怎

31、样把要求解的问题用一个有极值（极小或极大）的带有约束条件一、怎样把要求解的问题用一个有极值（极小或极大）的带有约束条件的函数来描述（通常把这个函数称为目标函数）；的函数来描述（通常把这个函数称为目标函数）；二、在提出的目标函数下，采用什么样的策略来改变系统的参数，二、在提出的目标函数下，采用什么样的策略来改变系统的参数，使这个目标函数达到最小或最大。使这个目标函数达到最小或最大。最优化问题：最优化问题：（规划数学与运筹学）（规划数学与运筹学）1）目标函数）目标函数t1r020040060080010001200140016001800200000.811.21.4020040

32、0600800100012001400160018002000-0.60.811.2综合型目标函数：综合型目标函数：2120min)(98. 0)(02. 0iftisQdttutetQ快速性约束快速性约束输出幅值约束输出幅值约束稳、准性约束稳、准性约束2）优化策略）优化策略1x2x起始点起始点终点终点最优点最优点爬山法：爬山法：)()() 1(kXkXkXPkX)()(081. 01nK)(6 . 0nTTi11 . 0841diddddkTTsTksT时时00121nnTn512411310281511111nnnnn)510(TK)(TTi84idTT 11 . 08

33、41diddddkTTsTksTr)11 (1sTi)1(TssKeseuy- -多变量多变量单纯形法单纯形法)()() 1(kXkXkXPkX)(1x2x2xlx1hx2hx1lx21x111)() 1(xkxkx222)() 1(xkxkx遗传算法遗传算法 、蚁群算法、粒子群算法、蚁群算法、粒子群算法粒子食物源) 1()() 1(kXkXkXPkX) 1()()()() 1(2211kXXrckXXrckXkXigiiiibestbest次目标步粒子10000100100函数计算控制系统参数优化实例控制系统参数优化实例stjjQdttetQ051=+)(=设计综合目标函数设计综合目标函数0

34、100200300400500600700800900100000.81.8t(s)Umax=1.76 Mp=13% tr=166 ts=373 FAI=0.98 uy%控制系统仿真及目标函数计算子程序控制系统仿真及目标函数计算子程序function Q=Simu_obj(DTA,Ti)DTA=0.081*0.93*10;Ti=0.6*2*73.3;DT=1;ST=1000;LP=ST/DT;a=exp(-DT/73.3);b=1-a;x1=0;x2=0;xi=0;Q=0;for i=1:LP e=1-x2; xp=e/DTA; xi=xi+DT/DTA/

35、Ti*e; u=xp+xi; x1=a*x1+0.93*b*u; x2=a*x2+b*x1; t(i)=i*DT;U(i)=u;Y(i)=x2; Q=Q+t(i)*abs(e)*DT;endumax=abs(max(U)Mp,tr,ts,FAI,Tp,E1,E2,E3=O_quality(DT,LP,Y,t)if (FAI0.98);Q=Q+1030;endif Mp20;Q=Q+1025;endif umax2;Q=Q+1020;endif tr100;Q=Q+1015;endif ts400;Q=Q+1015;endplot(t,U,t,Y,r);hold on;差分方程差分方程传递函数传

36、递函数微分方程微分方程数学模型的发展过程数学模型的发展过程17世纪（世纪（1684年）年）1942年年 H.Harris1812年年 Laplace（理论建模（理论建模白盒法白盒法）（试验建模（试验建模黑盒法黑盒法）灰盒法灰盒法f)(tu)(tygf)(sk Tu)(sk Ty)(skTe优 化 算 法TT)(12keQNnk目标函数：目标函数：最小二乘建模最小二乘建模模型结构：模型结构：)()() 1()()2() 1()(121kenkubkubnkyakyakyakynn目标函数：目标函数：)(12keQNnk)()() 1()()2() 1()(121NenNubNubnNyaNyaN

37、yaNynn)()2() 1(,)()2() 1(,11NeneneENynynyYbbaann)() 1()2() 1() 1 ()(nNyNyynyynyX)() 1()2() 1() 1 ()(nNuNuunuunuEXYEEQTYXXXTT1)(模型解析解：模型解析解：目标函数：目标函数：令：令：模型结构：模型结构：020040060080010001200140016001800200000.010.020.030.040.050.06ty滤 波 前滤 波 后原 传 递 函 数最小二乘辨识方法的困境最小二乘辨识方法的困境01000200030004000500060007000-1.

38、5-1-0.500.511.501000200030004000500060007000-0.06-0.04-0.0200.020.040.06020040060080010001200140016001800200000.010.020.030.040.050.06ty滤 波 前滤 波 后原 传 递 函 数1、怎样加入希望的扰动及怎样消除随机噪声、怎样加入希望的扰动及怎样消除随机噪声)(skTy2、怎样对多输入系统进行辨识、怎样对多输入系统进行辨识05001000150000.511.522.533.544.5time/sy系统输出子系统2输出子系统1输出3、怎样对闭环系统进行辨识、怎样对闭

39、环系统进行辨识智能建模智能建模灰盒法灰盒法snmeTssKsW)1 ()(我对模型的认识我对模型的认识snmesTsKsW11)1 ()(111 11nTnTnTn121)4)(3)(2)(1(1)(sssssW实例实例0417. 043211K5208. 04/ )4131211 (1T4111)1 ()(sTKsW012345600.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.045tyy1y智能建模智能建模)()()() 1(2211kXXrckXXrckXkXigiiiibestbestnmsTssesKsG) 1()1 ()(选择模型：选择模型：目标函数：

40、目标函数：2min1( ()()mkQy kTy kT求解方法：求解方法：群体智能群体智能0500100015009095汽 机 调 门 开 度 %050010001500520540560机 组 负 荷 MW050010001500242526主 蒸 汽 压 力 MPa050010001500445450455分 离 器 温 度 050010001500262728分 离 器 压 力 MPa050010001500-4-20汽 机 调 门 开 度 %050010001500-20020机 组 负 荷 MW050010001500-202主 蒸 汽 压 力 MPa050010001500024

41、分 离 器 温 度 050010001500-101分 离 器 压 力 MPa应用实例应用实例开环系统建模开环系统建模024681012141618x 104-5000500实 际 功 率Pe/MW024681012141618x 104-1000100中 间 点 温 度c0024681012141618x 104-20020主 蒸 汽 压 力MPa某1000MW 超超临界机组负荷系统 ( 闭环运行时 ) 传递函数模型功率1y中间点温度2y主蒸汽压力3y高调门阀位1u（M/%）给水流量(t/h)总燃料量（MPa）（MW）)(oC(t/h)3u2u2) 12(618. 0s2)123(171.0

42、s2) 1184(151. 1s2) 11010(219. 0s2)1101(0605.0s2)1385(214.0s2) 1224(0622. 0s00应用实例应用实例闭环闭环系统建模系统建模控制问题：控制问题：解决方案：解决方案：数字仿真数字仿真（微分方程的数值解）（微分方程的数值解）+参数优化参数优化提出控制品质指标提出控制品质指标+选择控制系统结构选择控制系统结构+选择控制器结构和算法（选择控制器结构和算法（PID）优化控制器参数优化控制器参数优化出被控系统模型参数优化出被控系统模型参数流化床锅炉床温控制流化床锅炉床温控制1、单回路控制、单回路控制要求控制品质指标要求控制品质指标min

43、%20%1098. 076. 0sptM目标函数目标函数31=0+=jjtQdtetQs2)(maxtu其它98. 076. 0010301Q其它%20%10010252pMQ其它2)(010max203tuQ转子绕线机系统转子绕线机系统 1) 1()(TsTsKsGC%2使使系统对斜坡输入响应的稳态误差小于系统对斜坡输入响应的稳态误差小于10%；系统对阶跃响应的超调量在系统对阶跃响应的超调量在10%左右；左右；按稳态误差按稳态误差 要求的调节时间为要求的调节时间为3s左右。左右。设计滞后校正装置设计滞后校正装置21=0+=jjtQdtetQs优化目标函数：优化目标函数：%11pM35110=

44、Q3st30210=Q0=2Q 如果如果 罚函数：罚函数：则让则让 如果如果 则让则让 否则否则0=1Q否则否则01234567891000.811.21.4ty优 化 结 果 : K=634 T=142a=0.16控 制 品 质 : MP=10.9% ts=2.3012345678910012345678910t斜 坡 输 入 信 号系 统 响 应动 态 误 差 曲 线稳 态 误 差 =35%7 .32192. 211iT9 .8669. 022iT2、串级控制系统、串级控制系统某主汽温某主汽温控制系统控制系统某电厂某电厂300MW热电机组主汽温系统热电机组主汽温系统负荷从

45、负荷从274.8MW264.9MW(9.9MW)汽温波动：汽温波动：534549(15)负荷从负荷从285MW258MW(27MW)汽温波动：汽温波动：543538(5)3、前馈加反馈（、前馈加反馈（PID）控制系统）控制系统 )()()(1)()(1)(sRsGsWsGsWsEcf)(1)(sWsGf为使式中的分子为零，则有为使式中的分子为零，则有 希望值作为前馈信号希望值作为前馈信号飞机俯仰姿态自动驾驶仪控制系统飞机俯仰姿态自动驾驶仪控制系统)52)(11 . 0(310)(2ssssGf00.511.522.533.544.55-101e00.511.522.533.544.551516

46、1718Uf00.511.522.533.544.55012ty350=)(sGf0)()()()()(22sRsWsRsWsGdf)()()(sWsWsGdf则有：则有：为使为使Y不受不受R2的影响，令：的影响，令：可测外扰作为前馈信号可测外扰作为前馈信号某汽包水位控制系统某汽包水位控制系统1297 . 0) 129(0066. 00072. 045. 0) 116)(12() 116() 12(0072. 045. 01297 . 00066. 0)(sssssssssssGf02. 2fG0100200300400500600700800-400-2000200tYG0100200300

47、400500600700800-20-1001020tYH有 补 偿无 补 偿4、大纯迟延系统的史密斯预估控制（、大纯迟延系统的史密斯预估控制（PID）nsTskesW)1 ()(nnssTsKTsKesG)1 ()1 ()(被控对象：被控对象：要求：要求：nssTsKesG)1 ()1 ()(则有：则有：020040060080010001200140016001800200000.811.21.4ty(史 密 斯 预 估 +PID)u(史 密 斯 预 估 +PID)控 制 品 质 ：FAI=0.98 Mp=12.1% tr=332 ts=580y(PID)u(PID)控

48、制 品 质 ：FAI=0.97 Mp=10.1% tr=528 ts=9595、大纯迟延系统的内模控制、大纯迟延系统的内模控制 )(1*sWGIMCsnIMCesTKsWG*)1 (1)(1*)1 ()(*nssTeKsW内模控制器内模控制器如果：如果：则：则：05001000150020002500300000.511.5ty050010001500200025003000-2000200400600tuIMC(tf=30)Umax-IMC(tf=30)=560PIDIMC(tf=200)Umax-PID=12Umax-IMC(tf=200)=136、最小拍控制、最小拍控制 1)()(11z

49、sWzzGo性能指标：性能指标：无稳态偏差；无稳态偏差；达到稳态所需拍数（采样周期数）为最少达到稳态所需拍数（采样周期数）为最少05001000150020002500300000.511.5ty050010001500200025003000-50510tuPID最 小 拍PID最 小 拍6、大林算法、大林算法被控对象的传递函数为被控对象的传递函数为sTKesWoso1)( 性能指标要求如下：性能指标要求如下：（1） 无稳态偏差；无稳态偏差；（2） 闭环系统的传递函数仍为一阶惯性环节，即闭环系统的传递函数仍为一阶惯性环节，即sTesWcsc1)( )1()()1()1()(sssssTkAekTeKBbTLkbuTkaukTu05010015020025030000.51ty050100