化工仪表及自动化第9章

1、化工仪表及自动化第九章 新型控制系统 内容提要要自适应控控制系统统变增益自自适应控控制模型参考考自适应应控制系系统直接优化化目标函函数的自自适应控控制系统统自校正控控制系统统预测控制制预测控制制的基本本结构预测控制制的特点点及应用用1内容提要要其他新型型控制系系统智能控制制专家控制制系统模糊控制制系统神经元网网络控制制故障检测测与故障障诊断解耦控制制系统推断控制制系统鲁棒控制制2第一节自自适应应控制系系统3自适应控控制系统统：通过测取取系统的的有关信信息，了了解对象象特性的的变化情情况，再再经过某某种算法法自动地地改变控控制器的的可调参参数，使使系统始始终运行行在最佳佳状况下下。根据自适适应控

2、制制的设计原理理和结构的不同，可分四四类。一、变增增益自适适应控制制图9-1 变增增益自适适应控制制找出影响响对象参参数变化化的辅助助变量，并设计计好辅助助变量与与最佳控控制器增增益的有有关表格格。关键点第一节自自适应应控制系系统二、模型型参考自自适应控控制系统统4图9-2 模型型参考自自适应控控制系统统研究的主主要问题题在于设计计一个稳稳定的、具有较较高性能能的自适适应机构构的自适适应算法法。第一节自自适应应控制系系统三、直接接优化目目标函数数的自适适应控制制系统5图9-3 直接接优化目目标函数数的自适适应控制制系统该系统选选择某个个指定的的目标函函数为对上述目目标函数数求极小小，可采采用随

3、机机逼近法法找到可可调参数数向量，使系系统的对对象参数数发生变变化时，仍可运运行在最最佳状态态。第一节自自适应应控制系系统四、自校校正控制制系统6图9-4 自校校正控制制系统该系统在在原有控控制系统统的基础础上，增增加了一一个外回路。它由对对象参数数辨识器器和控制制器参数数计算机机构组成成。第二节预预测控控制一、预测测控制的的基本结结构7四部分组组成，预预测模型型、反馈馈校正、滚动优优化和参参考轨迹迹。图9-5 预测测控制的的基本结结构第二节预预测控控制81.预测模型型具有预测测功能，能够根根据系统统的现时时刻的控控制输入入以及过过程的历历史信息息，预测测过程输输出的未未来值。最基本的的模型算

4、算法控制制（MAC）采采用的是是系统的的单位脉脉冲响应应曲线，而动态态矩阵控控制（DMC）采用的的是系统统的阶跃跃响应曲曲线。在预测控控制中各各种不同同算法，采用不不同类型型的预测测模型预测模型型具有展展示过程程未来动动态行为为的功能能。第二节预预测控控制92.反馈校正正由于对模模型施加加了反馈馈校正的的过程，使预测测控制具具有很强强的抗扰扰动和克克服系统统不确定定的能力力。预测测控制中中不仅基基于模型型，而且且利用了了反馈信信息，因因此预测测控制是是一种闭闭环优化化控制算算法。第二节预预测控控制103.滚动优化化预测控制制是一种种优化控控制算法法。它是是通过某某一性能能指标的的最优化化来确定

5、定未来的的控制作作用。这这一性能能指标还还涉及到到过程未未来的行行为，它它是根据据预测模模型由未未来的控控制策略略决定的的。预测控制制采用滚滚动式的的有限时时域优化化策略。第二节预预测控控制114.参考轨迹迹它是设定定值经过过在线“柔化”后的产产物。最广泛采采用的参参考轨迹迹为一阶阶指数变变化的形形式，它它可以使使急剧变变化的信信号转变变为比较较缓慢变变化的信信号。第二节预预测控控制二、预测测控制的的特点及及其应用用12从控制方方式上预预测控制制。预测控制制的预测测和优化化模式是是对传统统最优控控制的修修正，它它使建模模简化，并考虑虑了不确确定性及及其他复复杂性因因素。预测控制制对数学学模型要

6、要求不高高且模型型的形式式多样化化。能直接处处理具有有纯滞后后的过程程。具有良好好的跟踪踪性能和和较强的的抗扰动动能力。对模型误误差具有有较强的的鲁棒性性。特点第二节预预测控控制13应用国外已经经形成许许多以预预测控制制为核心心思想的的先进控控制商品品化软件件包。中国通过过“八五五”“九九五”国国家重点点科技攻攻关等，在先进进控制与与优化控控制方面面积累了了许多经经验，成成功应用用实例亦亦不少，部分成成果已逐逐渐形成成商品化化软件。第三节其其他新新型控制制系统一、智能能控制141.智能能控制的的基本概概念智能控制制系统是是实现某某种控制制任务的的一种智智能系统统，它由由智能控控制器和和对象组组

7、成，具具备一定定的智能能行为。图9-6智能能控制系系统的典典型结构构第三节其其他新新型控制制系统15智能控制制系统的的主要功功能特点点： 学习习功能 适应应功能 组织织功能第三节其其他新新型控制制系统162.智能控制制的主要要类型根据智能能控制系系统的定定义和控控制功能能分类：自寻优优智能控控制器自自修复智智能控制制器自学习习智能控控制器自自镇定智智能控制制器自适应应智能控控制器自自协调智智能控制制器自组织织智能控控制器自自繁殖智智能控制制器第三节其其他新新型控制制系统二、专家家控制系系统171.专家控制制系统概概念专家控制制系统是是指将专专家系统统的设计计规范和和运行机机制与传传统控制制理论

8、和和技术相相结合而而成的实实时控制制系统的的设计和和实现方方法。根据专家家系统技技术在控控制系统统中应用用的复杂杂程度，可以分分为专家家控制系系统和专专家式智智能控制制器。专家控制制系统可可以提高高常规控控制系统统的控制制品质，拓宽系系统的作作用范围围，增加加系统的的功能，还可以以对传统统控制方方法难以以奏效的的复杂过过程实现现高品质质的控制制。第三节其其他新新型控制制系统2.专家控制制系统的的类型根据专家家控制系系统在过过程控制制中的用用途和功功能，可分为直直接型专专家控制制器和间间接型专专家控制制器。按知识表表达技术术，可分为产产生式专专家控制制系统和和框架式式专家控控制系统统等。18第三

9、节其其他新新型控制制系统193.专家控制制系统结结构系统由算算法库、知识基基系统和和人-机机接口与与通讯系系统组成成。算法库部部分主要要完成数数值计算算。知识基系系统具有有定性的的启发式式知识，它进行行符号推推理，按按专家系系统的设设计规范范编码，通过算算法库与与对象相相连。人-机接接口与通通讯系统统作为人人-机界界面和实实现与知知识基系系统直接接交互联联系，与与算法库库进行间间接联系系。图9-7 专家家控制系系统总体体结构图图第三节其其他新新型控制制系统三、模糊糊控制系系统20优点具有实时时性好，超调量量小，抗抗干扰能能力强，稳态误误差小等等。1.模糊控制制系统的的基本结结构图9-8 模糊糊

10、控制系系统的方方块图图9-9 模糊糊控制器器的基本本结构第三节其其他新新型控制制系统212.模糊控制制的几种种方法查表法法将输入量量的隶属属度函数数、模糊糊控制规规则及输输出量的的隶属度度函数都都用表格格来表示示。专用硬硬件模糊糊控制器器用硬件直直接实现现上述的的模糊推推理。优优点是推推理速度度快，控控制精度度高。软件模模糊推理理法模糊糊控制过程程中输入入量模糊糊化，模模糊规则则推理和和输出清清晰化和和知识库库这四部部分都用用软件来来实现。第三节其其他新新型控制制系统四、神经经元网络络控制22比较适用用于那些些具有不不确定性性或高度度非线性性的控制制对象，并具有有较强的的适应和和学习功功能。1

11、.人工神经经网络由许多人人工神经经元模型型构成，用来模模拟生物物神经网网络的某某些结构构和功能能。图9-10人人工神经经元模型型第三节其其他新新型控制制系统23输入xi与输出y的关系优点具有大规规模并行行性、冗冗余性、容错性性、本质质非线性性及自组组织、自自学习、自适应应能力。第三节其其他新新型控制制系统24反向传播播网络是一种多多层前馈馈网络，它分输输入层、隐含层层和输出出层，其其神经元元的变换换函数为为s形函数。图9-11BP网络络结构示示意图连接权的的调整采采用误差差修正反反向传播播的学习习算法。第三节其其他新新型控制制系统252.神经网络络在控制制中的主主要作用用 在基基于精确确模型的

12、的各种控控制结构构中充当当对象的的模型。 在反反馈控制制系统中中直接充充当控制制器的作作用。 在传传统控制制系统中中起优化化计算作作用。 在与与其他智智能控制制方法，如模糊糊控制、专家控控制等相相融合中中，为其其提供非非参数化化对象模模型、优优化参数数、推理理模型和和故障诊诊断等。第三节其其他新新型控制制系统263.神经网络络控制的的分类根据不同同观点可可以有不不同的形形式，目目前尚无无统一的的分类标标准。一般可分分为两大大类，即即基于传统统控制理理论的神经控控制和基于神经经网络的智能控控制。第三节其其他新新型控制制系统五、故障障检测与与故障诊诊断271.提高控制制系统可可靠性的的主要方方法（

13、1）提提高元器器件的可可靠性。（2）系系统的高高可靠性性设计。简化系系统结构构。采用备备份。（3）控控制系统统的容错错设计。（4）基基于故障障检测和和诊断技技术的容容错设计计。第三节其其他新新型控制制系统282.主要故障障控制系统统的故障障主要涉涉及以下下几方面面：传感感器故障障；执行行器故障障；控制制器故障障；计算算机故障障等。3.故障检测测和诊断断的含义义故障检测测是当控控制系统统发生故故障时，可以及及时发现现并报警警。故障诊断断是分离离出故障障的部位位，判别别故障的的类型，估计出出故障的的大小与与时间，并作评评价与决决策。第三节其其他新新型控制制系统294.故障检测测和诊断断的主要要方法

14、（1）基基于控制制系统动动态模型型的方法法（2）不不依赖于于动态模模型的方方法 诊断断专家系系统，用用专家系系统来诊诊断故障障的方法法。该系系统主要要有两大大部分：知识库库和推理理机。 模糊糊数学的的诊断方方法。 模式式识别诊诊断方法法。这种种方法适适合于积积累了大大量有关关故障的的案例，一般诊诊断步骤骤如下。第三节其其他新新型控制制系统30a.选择择能表达达系统故故障状态态的向量量集，以以此构成成故障模模式向量量。b.根据据故障向向量中各各参数的的重要性性，选择择故障状状态最敏敏感的特特征参数数，构成成特征向向量集，作为故故障的基基准模式式集。c.由特特征向量量以一定定方式构构成判别别函数，

15、用来判判别系统统目前状状态属于于哪一个个基准模模式，或或说系统统属于哪哪种故障障状态。 人工工神经元元网络诊诊断方法法。第三节其其他新新型控制制系统六、解耦耦控制系系统311.系统间的的耦合现现象若干个控控制回路路之间，可能会会相互耦耦合，相相互影响响，构成成多输入入-多输输出的相相关（耦耦合）控控制系统统。图9-13关关联严重重的控制制系统第三节其其他新新型控制制系统322.减少与解解除耦合合的途径径（1）合合理匹配配被控变变量与操操纵变量量图9-14冷冷热物料料混合系系统图9-15变变量关系系图第三节其其他新新型控制制系统33针对以上上情况，变量之之间的匹匹配可以以有两种方案案：一个方案案

16、是以Fh作为操纵纵变量，以T作为被控控变量构构成温度度控制系系统，同同时，以以Fc作为操纵纵变量，以F作为被控控变量构构成流量量控制系系统；另一个方方案是以Fh作为操纵纵变量，以F作为被控控变量构构成流量量控制系系统，同同时，以以Fc作为操纵纵变量，以T作为被控控变量构构成温度度控制系系统。图9-16混混合物料料温度和和流量控控制系统统第三节其其他新新型控制制系统34（2）控控制器的的参数整整定在动态上上设法通通过控制制器的参参数整定定，使两两个控制制回路的的工作频频率错开开，两个个控制器器作用强强弱不同同。（3）减减少控制制回路（4）串串接解耦耦控制图9-17双双输入双双输出串串接解耦耦系统框框图第三节其