现代过程控制概论研究生学习PPT教案.pptx

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1、1现代过程控制概论2本课程的基本内容34现代电站自动化的基本内容现代电站自动化系统基本结构现代电站自动化技术的重点发展领域56一、资源压力 矿物燃料-不可再生能源 煤炭 石油 天然气 可再生能源 生物质能 风力资源 太阳能 其他可再生能源 生物能源等可再生固然是清洁能源，应该在政策、机制和技术上加大力度，加速推广。但由于这类能源的能源密度小，单位功率成本高，随机性大，要在整个能源中占有较大的份额是不可能的。10%已经是相当乐观的估计了。年份煤炭%石油%水能%天然气%198575.817.14.92.2199076.216.64.92.1199574.617.56.11.8199769.621.

2、56.72.2199967.123.46.72.8我国一次能源消费量及构成7一、环境压力 按现有技术我国能源系统是不可持续的 我国目前人均电力装机容量0.24kW，达到真正小康水平（1.0kW）需增加四倍，相当于增加15108 kW按照目前的排放水平计算，预计到2020年我国火电机组二氧化硫、烟尘、氮氧化物等三种污染物的排放量将分别达到：2100万吨、500万吨、1000万吨以上，在大气污染物的排放控制方面将面临相当大的压力。 能源可持续发展的现实出路？8一、9二、能源系统进步与发展的总体趋势各个国家、各个工业部门都在寻求资源消耗少、能源转化率高、总体排放少的系统可持续发展的能源系统 美国能源

3、部（DOE）提出的Vision 21能源系统以煤气化为龙头，利用所得的合成气体，一方面用以制氢供燃料电池汽车用，另一方面通过高温固体氧化物燃料电池和燃气轮机组成的联合循环转换成电能，能源利用效率可达50%-60%，排放少，经济性比现代煤粉炉高10% 。10二、以煤气化为龙头，利用所得的合成气体，一方面用以制氢供燃料电池汽车用，另一方面通过高温固体氧化物燃料电池和燃气轮机组成的联合循环转换成电能，能源利用效率可达50%-60%，排放少，经济性比现代煤粉炉高10% 。11二、SHELL（壳牌石油公司）的多联产能源系统 -SYNGAS PAIK（合成气园） 以煤气化或石油和油渣气化为核心，所得的合成

4、气用于IGCC发电、生产甲醇和化肥、并作为城市煤气供给用户。在该系统中，各个生产过程不是孤立的，而是通过物料流、能量流和信息流相互关联的，一个生产过程的“废料”可以作为另一个过程的原料而加以利用。12二、以煤气化或石油和油渣气化为核心，所得的合成气用于IGCC发电、生产甲醇和化肥、并作为城市煤气供给用户。在该系统中，各个生产过程不是孤立的，而是通过物料流、能量流和信息流相互关联的，一个生产过程的“废料”可以作为另一个过程的原料而加以利用。13二、意大利ISBA公司的石化企业多联产IGCC动力站系统在石化企业中建立IGCC动力站，燃用企业生产的廉价重油、沥青、石油焦等燃料，既能为化工流程生产提供

5、合成原料气体，又能用于提供合成气体生产所需的电能和蒸汽，使电能、热能的生产过程与化工过程有机结合起来，使所生产的化工产品和电能成本降低，并有效地减少企业的排放量。 14二、在石化企业中建立IGCC动力站，燃用企业生产的廉价重油、沥青、石油焦等燃料，既能为化工流程生产提供合成原料气体，又能用于提供合成气体生产所需的电能和蒸汽，使电能、热能的生产过程与化工过程有机结合起来，使所生产的化工产品和电能成本降低，并有效地减少企业的排放量。15二、能源/资源/环境一体化能源系统的基本框架16三、系统及其工作过程的复杂性现代化发电厂、化工厂本身已经是一个难以控制的复杂系统多联产能源系统是跨行业、跨学科的巨大

6、复杂系统各个生产过程在物质流、能量流-信息流、价值流相互交叉耦合，其复杂过程远远超过单个产品的生产过程 在未来的先进能源动力系统中，自动控制技术的地位和作用日益重要。系统的大型化，过程的高度复杂化，对控制理论和控制技术提出了更高的要求，同时也为先进控制理论及其由于提供的更为现实的发展机遇和空间。 17二、控制领域的基本问题 多层次的集成建摸问题 实时监测与故障诊断问题 各层次的协调控制问题和过程控制问题 多目标最优控制与运行问题 复杂系统的稳态特性和动态特性问题 复杂系统运行的鲁棒性、安全性问题 海量数据处理问题 18一、 电力工业作为国民经济的基础性产业，有别于其它工业过程的主要特征是：电能

7、的 “ 发、输、供、用 ” 必须同时进行，并保持瞬时的平衡。与此同时，参与 “ 发、输、供、用 ” 的所有设备构成了部件众多、结构复杂、分布广阔的动态大系统。在这个系统中发电机组处于系统的最底层。 通常，人们把电力生产过程分为发电侧与输配电侧，相应地，从实现自动化的角度，可分为电站自动化和电力系统自动化。 19一、 采用大容量、高参数发电设备成为我国电力工业发展的重要方向：单机容量从建国初期的50MW，逐步发展目前以300MW、600MW为主的水平；蒸汽参数也由8MPa/535提高到17MPa/540，并随着和技术的推广应用，最终可达到28MPa/580以上。 机组的大容量和高参数带来的是过程

8、参数测量点的大量增加，相应的控制回路数和控制的复杂程度都大为提高，生产过程对控制精度的要求更为严格。20一、I/O点点超过超过15000个个数据库标签数据库标签超过超过30000个个运行过程的监控点运行过程的监控点 60007000个个控制系统组态图控制系统组态图2000 3000张张各种控制回路各种控制回路500600个个一台600MW机组 ： 这些艰巨而繁重的控制任务必须要由现代化的电站自动化技术作为支撑。 21二、现代电站自动化的基本内容数据采集与管理包括对生产过程中温度、压力、流量、液位、成分等参数的测量，实时数据的显示、报表、打印、报警；数据的分析与处理；测量数据在不同系统之间的高速

9、传输；生产过程实时/历史数据的高效存储；历史数据的快速检索等。222324二、现代电站自动化的基本内容模拟量控制主要对机组的运行参数进行控制，如蒸汽温度、蒸汽压力、发电机功率、汽包水位、炉膛压力等。 其中典型的控制系统是单元机组协调控制系统：CCS: Coordinated Control System25二、现代电站自动化的基本内容模拟量控制单元机组协调控制系统把锅炉和汽轮机作为一个整体，采用分级、递阶的系统结构，把参数调节、逻辑控制和联锁保护等控制功能结合在一起，构成满足机组在额定工况、变工况、以至于故障条件下控制功能的综合控制系统。负荷指令中心 机炉协调器 汽机控制系统 机 炉 受 控

10、对 象 燃料控制系统 风量控 制 系 统 给水控 制 系 统 单元机组主控系统局部回路控制系统生产过程进汽量燃料量风 量给水量26二、现代电站自动化的基本内容顺序控制及连锁保护顺序控制一般可分为和两类。前者是指按预定的时间顺序而触发控制作用的发生（如启动停止、闭合断开等）；而后者则是依据生产过程进行的状态决定下一步控制作用是否发生。联锁保护以逻辑控制为基础，在重要运行参数超过限定值或相关设备运行条件不满足要求时按照预先设定的程序，自动终止异常的生产过程和设备，避免事故扩大，损伤人员和设备。 27二、现代电站自动化的基本内容顺序控制及连锁保护启动润滑油泵 启动顶轴油泵 投 盘 车 投冷却水系统

11、投凝结水系统 抽 真 空 轴封送汽 开 旁 路 投调速油 冲 转 摩擦检查 低 速 低速暖机 中 速 中速暖机 过临界转速 空载运行 投 励 磁 并网带初负荷 低 负 荷 低负荷暖机 中 负 荷 中负荷暖机 目标负荷 降负荷 中负荷 低负荷 投旁路 解 列 投低压油泵 打闸停机 投盘车 28三、现代电站自动化系统的基本结构 目前，大多数在建电站和计划建设电站一般都设计了分级分层的自动化系统生产管理级 MIS (Management Information System) 生产过程级 DCS (Distributed Control System) FCS (Fieldbus Control S

12、ystem) PLC (Programming Logic System)29现代电站自动化系统结构调度指令工况参数测量信号调度系统监控系统控制系统管理信息管理系统企 业 级 经 营 决 策电 力 生 产 过 程数据集成与管理决策层管理层调度层监控层控制层层次划分数据获取分级决策功能划分通用数据平台实时数据管理系统关系数据管理系统经营决策优化调度控制优化性能计算状态检修故障诊断安全生产稳定运行人、财、物管理调配30四、电站自动化对先进控制理论的迫切需求电力生产过程的特殊性燃料化学能 热能 机械能 电能燃烧换热汽轮机发电机慢！快！v电力生产过程存在大时延、强耦合、本质非线性和大量的未知干扰电力生

13、产过程迫切需要先进控制理论的支撑3132 控制科学与系统科学控制科学的核心-自动控制理论系统的基本要素-系统的输入、系统的输出、系统本身系统本身与系统的数学模型 对一个系统所进行的研究工作，通常可以概括为以下的三个方面:q ：根据系统的输入及所建立的系统数学 模型确 定系统的运行状态和系统的输出q ：根据系统的输入和输出，确定系统的数 学模型q ：给定系统的输出和系统的数学模型，确 定系统的输入规律 33 q 广义自动控制：自动检测、自动操作（程序控制）、自动调节（过程控制）、自动保护、故障诊断等。q 狭义自动控制：自动调节（过程控制） 自动控制可分为自动控制理论和自动控制技术两方面。自动控制

14、理论控制方案和控制算法构成了自动控制理论的核心内容。 控制方案: 反馈控制（闭环控制）、前馈控制（开环控制）、前馈-反馈控制（复 合控制）、串级控制、导前微分控制等。 控制算法: PID控制算法、模糊控制算法、学习控制（人工神经网络）算法、模糊 神经网络控制算法、其他控制算法自动控制技术控制方案和控制算法的具体实现技术（模拟仪表控制、计算机数字控制、集散控制 技术、现场总线控制技术等）。 34自动控制理论自创立至今已经经过了三代的发展：第一代 20世纪初开始形成并于50年代趋于成熟的经典反馈控制理论第二代 20世纪50、60年代在线性数学基础上发展起来的现代控制理论第三代 20世纪60中期即已

15、萌芽，在发展过程中综合了人工智能、自动控制、信息 论等多学科的最新成果并在此基础上形成的智能控制理论 35经典控制理论及其局限性 经典控制理论的发展 反馈是控制理论中的一个最基本的概念。经典控制理论本质上是一种基于系统传递函数的频域分析方法。自人类诞生以来，对反馈控制的应用就已经开始（各种手工调整过程：控制器，执行机构）。但是，直到第一次产业革命时期，英国人Jamcs Watt发明了蒸汽机离心飞锤式调速器，解决了在负载变化条件下保持蒸汽机基本恒速的问题，自动控制才引起人们的重视。从那时起的100多年来，随着社会生产力的发展和需要，自动控制理论和技术得到了不断的发展。 1932年 Nyquist

16、 提出了系统稳定性的频率判据1940年 Bode 将对数坐标引入频率分析方法之中，并进一步完善了系统的频率分析方法1942年 Harris建立传递函数概念1948年 Evans提出根轨迹分析方法1949年 Wienner出版控制关于在动物和机器中控制和通讯的科学,标志着经典控制 理论的确立 36传递函数-系统的外部描述01110111)()()(asasasabsbsbsbsXsYsWnnnnmmmm 在零初始条件下系统输入信号的Laplace变换： 在零初始条件下系统输入信号的Laplace变换。 )(sX)(sY在经典控制理论中，主要借助于建立在传递函数基础上的频率法、根轨迹法等分析手段完

17、成反馈控制系统的性能分析及控制系统的设计。 频率特性 根轨迹其核心内容是系统输出反馈控制算法：PID控制算法、串级控制算法（其本质仍为PID控制算法）等。 经典控制理论及其局限性 主要数学工具 主要分析手段 主要控制算法 37经典控制理论的局限 性 经典控制理论建立在系统传递函数和频率特性基础上，而传递函数和频率特性均属于系统的外部描述，不能充分反映系统的内部状态经典控制理论本质上是频域法，都要通过积分变换（Laplace变换、Z变换、傅立叶变换），因此原则上只适于分析“单输入单输出”线性定常系统，对“多输入多输出”系统不宜用经典控制理论解决，特别是对非线性、时变系统更是无能为力。 例一 经典

18、控制理论描述能力及局限性系统“状态”描述能力的局限性 对一个二阶线性系统（物体运动过程,双电容电阻系统,双容水箱系统等）,其输入为 ，输出为 其动态特性可由二阶微分方程或传递函数表示： 或 当系统的控制作用 已知时，就能求出 。但是，在求出的解中有两个待定的积分常数。即为了能够完全确定微分方程的解，至少需要两个初始条件例如，需要知道初始时刻 时 的初值 和 的初值 ，即已知系统的“状态”. )(22tubydtdyadtyd021)()()(basssUsYsW)(tu)(ty)(tu)(ty0t)(ty)(0tydtdy)(0ty 38经典控制理论的局限 性 例一 经典控制理论描述能力及局限

19、性系统“状态”描述能力的局限性 在经典控制理论的描述方法下，通常只能知道（或只关注）系统在某一时刻 的输出 ，那么，即使给定该时刻系统的控制作用，也无法准确确定系统在下一个时刻的输出，当然也无法准确判断所施加的控制作用的合理性（二阶系统的状态：位置 + 速度）-运动过程控制实例。 )(0ty0t“状态信息”不完备的经典控制系统 39现代控制理论主要标志和基本内容 现代控制理论的主要标志 卡尔曼： 状态空间法卡尔曼： 能控性与能观性庞特里雅金： 极大值原理现代控制理论的主要内容多变量线性系统理论最优控制理论 最短时间控制问题 最优估计与系统辨识理论 现代控制理论的基本思想 40现代控制理论的主要

20、特 点 现代控制理论的基本思想 n研究对象: 线性系统 非线性系统 时变系统 多变量系统 连续与离散系统n数学上： 基于状态空间的时域分析与综合 状态方程 n方法上： 研究系统输入/输出特性和内部性能 输入输出（经典控制理论-外部特性） 输入状态参数输出（现代控制理论-外部特性和内部特性）41主要控制算 法 反馈控制方式-抑制外部扰动、跟踪给定值变化等方面优于非反馈控制经典控制理论-控制的基本方式是输出反馈控制现代控制理论-状态反馈控制(系统的特性用“状态方程”和“输出方程”描述，可将系 统的状态反馈至系统的输入)状 态 反 馈 -系统的“状态”完全描述了系统当前的运动状况，为控制决策提供了完

21、 备信息，在理论上优于经典控制理论中的输出反馈控制 现代控制理论的基本思想 输出反馈控制与状态反馈控制 两种基本的反馈控制系统42系统状态的可控性 系统的输入-在自动控制系统中为控制作用系统的输出-系统特性的外部表现系统的状态向量-系统的内部状态,或系统特性的内在特征控制过程 -前向通道：输入状态参数输出（输入能否影响到状态参数？） 反馈通道：输出状态参数输入（输出能否反映出状态向量？）反映三者之间影响关系的概念-状态可控性和状态可观测性 控制通道和反馈通道现代控制理论的两个重要概念系统状态的可控性-系统输入与系统状态变量间的关系如果系统的输入能够影响到每一个状态变量，则此系统为状态完全可控；

22、如果系统的输入不能影响到每一个状态变量，则此系统为状态不完全可控。（系统可控性举例：控制对象，控制目的，控制手段，控制效果可控或不可控） 系统控制过程 43系统状态的可控性 现代控制理论的两个重要概念系统状态的可观测性-系统状态变量与系统输出间的关系,或系统外部 特性对系统内部特征的反映程度 如果系统的每一个状态变量都能影响到系统的输出，也就是系统的输出反映了所有状态变量的变化，则此系统为状态完全可观测 如果系统中有一个或几个状态变量对输出不产生任何影响，则此系统为状态不完全可观测（系统可观测性实例） 几点讨论 对于指定的控制过程，控制输入和控制输出是完全确定的，但系统的状态变量可以有不同 选

23、择。在选择状态变量时，必须充分地考虑到系统的状态可控性和状态可观测性。 只有当系统状态完全可控时，才能通过控制作用使系统的所有状态变量向预期的目标变化 系统的状态变量一般不一定都能直接测量。只有当系统为状态完全可观测时，才能从系统 的输出变量来间接估计出所有状态变量的变化情况 如果系统的某些状态变量与输入不发生直接联系，那么这些状态变量是不可控的；如果有些 状态变量不能影响到系统的输出，那么这些状态变量是不可观测的 可控性和可观测性的例子44智能控制理论的基本特点经典控制理论和现代控制理论的共同缺 点 经典控制理论和现代控制理论-传统控制理论对象描述：建立在被控制对象精确数学模型基础上的。工业

24、被控对象或过程常常具有非 线性、时变性、变结构、多层次、多因素以及各种不确定性等，难以建立精 确的数学模型。即使能够建立复杂对象数学模型，也往往过于复杂，不利于 控制系统的设计和实现有效控制。被控对象的复杂化，对控制精度的要求越 来越高，传统控制理论对于解决复杂性和精确性之间的矛盾日益无能为力。信息表达：传统控制理论只有单纯的数学解析结构，难以表达和处理有关被控对象的 一些不确定信息。知识表达：传统控制理论不能利用人的经验知识、技巧和直觉进行推理（目标模式识 别、控制过程模式识别、人工最优控制的具体例子）。 模式识别和最优控制 小 结： 智能化是控制理论的必然趋势 控制理论发展过程的两次“回归

25、”45q人工智能-逻辑推理（特别是基于模糊信息的逻辑推理）、记忆与联想能力以及基于记 忆与联想的模式识别能力、学习能力等q智能控制-人工智能和自动控制等相关学科的结合物。其本质在于利 用计算机模拟人 的控制过程。q控制模型-知识模型：经验知识或专家知识模型（浅层知识模型）、机理知识模型（深 层知识模型）等。q基本理论-模糊控制理论、人工神经网络控制理论和专家控制理论等傅京孙的智能控制二元结构C .N.Saridis的智能控制三元结构智能控制Intelligent Control智能控制理论的基本特点智能控制理论基本描述46智能活动和人工控制中的模糊 性模糊控制的基本概念 q 模糊思维-模糊化思

26、维人的智能与机器的“智能”的基本区别（人类语言的模糊 性，接收到的信息的模糊性，推理过程模糊性，机器推理）q 模糊判断-借助于模糊信息进行判断是人类智能的鲜明特色之一（文字识别与 理解，几何图形的识别过程的模糊性）q 人工控制-控制过程的模糊性：水位控制 q 人工控制与传统自动控制的根本不同-不需要对象的数学模型q 模糊控制-模拟人工控制过程的计算机控制方法（特别是模仿人类处理模糊 信息的能力和模糊逻辑推理能力） 描述方法与信息含量过度追求精确性未必恰当47模糊集合理论的最基本概念模糊控制的基本概念 模糊控制的理论基础 模糊集合论、模糊语言变量、模糊逻辑推理 关于经典集合理论确定性-经典集合是

27、确定性集合，有明确的外延（边界）和内涵二值性-一个元素对经典集合的关系：0或1，即要麽完全属于，要麽完全不属于， 即非此即彼局限性-经典集合理论表达能力的局限性（人类语言与思维的模糊性）合理性-信息损失、年龄的分类、用量的 选择等48模糊集合理论的最基本概念模糊控制的基本概念 模糊控制的理论基础 模糊集合论、模糊语言变量、模糊逻辑推理 模糊集合（Fuzzy Set ）在论域U上的模糊集合A是指对任何x U，都有一个数 0，1 ，与之对 应，并且称 为x属于模糊子集A的隶属程度。以映射形式表示为： x“比50大的整数”-经典集合A“比50大得多的整数”-模糊集合B元素100、80和50： 100

28、对B的隶属程度比80大 )(xA)(xA)(xA 关于经典集合理论确定性-经典集合是确定性集合，有明确的外 延（边界）和内涵二值性-一个元素对经典集合的关系：0或1， 即要麽完全属于，要麽完全不属于局限性-经典集合理论表达能力的局限性（人 类语言与思维的模糊性）合理性-信息损失、年龄的分类、用量的 选 择等49 例一 在1到10的整数范围内，“大数”、“中数”和“小数”为论域上的三个模糊子集，分别记为 A1，A2和A3。则这三个模糊子集可规定为： 1019189 .077 .064 .052 .01A “大数” 模糊子集 A1： “中数” 模糊子集 A2：76.068.05148.036.02

29、A “小数” 模糊子集 A2：62 .054 .047 .039 .021113A)(xA50 例二 取论域U = 0 ， 100 ，集合A1和A2分别表示“年老”和“年轻”， Zadeh给出的它们的隶属度函数分别为： 1002552512501)(122xxxxA1005055015000)(122xxxxA51人工控制过程若水面高于0点，则减少注水，差值越大，减少注水幅度越大若水面低于0点，则增加注水，差值越大，增加注水幅度越大若水面接近于0点，则注水量基本维持不变 模糊控制的基本概念 模糊控制过 程确定误差EE是水位对0点的偏差，为了方便，将它分为7级： X = -3，-2，-1，0，+

30、1，+2，+3取5个语言值： A1 A2 A3 A4 A5 含义： 正大 正小 0 负小 负大显然，A1 A2 A3 A4 A5 是论域 X 上的模糊集合。52模糊控制过 程将误差E模糊化为了用模糊语言反映误差 E的变化，可以按实际情况适当规定模糊集合A1 A2 A3 A4 A5 的隶属度，如下表。 论域F集-3-2-10+1+2+3A1-正大正大000000.51A2-正小正小 000010.50A3 -适当适当000.510.500A4-负小负小00.510000A5-负大负大10.50000053控制量的模糊化当观测到一个误差,按经验就须确定调节阀门(注水量y), 为了方便,将 y 分为

31、 7级, 故有论域Y: Y = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 -注水阀门开度取控制量的5个语言值： B1 B2 B3 B4 B5 含义： 正大 正小 0 负小 负大显然，B1 B2 B3 B4 B5 是论域 Y上的模糊集合.定义如下：模糊控制过 程 论域F集-3-2-10+1+2+3B1000000.51B2000010.50B3000.510.500B400.510000B510.50000054模糊控制规则的确定 按经验,可以写出下述规则: 若e负大则y正大 若e负小则y正小 若e零则y零 若e正小则y负小 若e正大则y负大 或列表如下(控制规则表):若A5A4A3A

32、2A1则B1B2B3B4B555模糊控制系统模糊控制 器56一维模糊控制器二维模糊控制器三维模糊控制器57几种典型的智能控制理论(续)3.1.2自动控制理论的发展 智能控制理论 人工神经网络控制 q联想、记忆与学习功能是人类智能的又一个显著特点（模式识别与控制，人的模式识别能力与机器的模式识别能力）q生物神经元结构与生物神经网络树突：细胞体向外伸出的较短的分支，其功能是接收来自其他神经元的信息，为神经元的输入端；轴突：相当于细胞体的输出端，其端部的神经末梢将信息传送给其他神经元；神经网络：单个神经元的功能十分有限，但由大量的神经元相互连接构成的神经网络则具有十分强大的联想、记忆与学习功能。q

33、人工神经网络模型从结构上对人脑功能模拟的一种手段q 人工神经网络模型具有学习功能，它能够适应环境的变化，自动修改网络参数，因此为解决复杂过程的自动控制提供了一条有效的途径。 专家控制 一种最简单的人工神经网络58在模糊控制理论中，控制器接收到的一般是不确定的信息（如偏差很大、较大、较小、很大等），此时的控制算法很难用上述的函数关系表示。在这种情况下，控制器的控制算法实际上是一种映射过程。 集合与映射设U和V是两个非空集合，X和Y分别是U和V的子集，若有一定的法则f， 使每个 x X，都有一个确定的y Y与之对应，则称给出了一个从集合 X到集合Y 的映射过程，记为： f ： X Y 或 y=f（

34、x）子集X为f 的定义域，子集Y为 f 的值域，x和y的所有可能值构成的集合X和Y称为x和y各自的论域。当 X和Y为数集时， f 就是通常所说的函数。fUVXYyx控制与映射更一般地讲，控制作用就是由“偏差集合”（广义偏差）到“控制集合”的一种映射关系。映射法则f 即为所采用的控制规则593.3.2神经网控制 q人的形象思维联想与记忆q人工神经网络基础q基于人工神经网络的控制系统 3.3.4其他类型的智能控制理论简介 q免疫控制q基于模式识别的自适应控制q专家控制 3.3.3复合控制理论及控制系统 600ReG(j)ImG(j)1惯性环节G(j)6162贝努利（Bernoulli）捷线问题63

35、例二 二阶线性系统的状态空间描述 例一所给定的二阶线性系统现代控制理论的基本思想 插页: 39页之1/4)(22tubydtdyadtyd021)()()(basssUsYsW(传递函数-系统外部描述)系统的外部描述(高阶微分方程描述)64例二 二阶线性系统的状态空间描述 该二阶系统应该有两个状态变量 和 ,构成了系统的状态向量则该二阶线性系统的动态特性可用状态方程表示现代控制理论的基本思想 插页: 39页之2/4系统的状态向量和状态方程(系统的状态向量)1x2xx21xxxyx 1dtdyyx 2)t (uaxbxxxx21221)(10102121tuxxabxx65例二 二阶线性系统的状

36、态空间描述 该二阶线性系统的输出方程为用矩阵形式表示的状态方程和输出方程：其中的向量和矩阵为:现代控制理论的基本思想 插页: 39页之3/4输出方程及系统的矩阵表示(系统的输出方程)21101xxxy)(tuBxAxDuxCy21xx x21xxxab10A10B01C66uBxAxDuxCy系统的状态方程和输出方程的一般形式现代控制理论的基本思想 A系统的系数矩阵B系统的控制矩阵或输入矩阵C 系统的输出矩阵D 系统的直接耦合矩阵 许多系统的输入作用并不直接于输出发生关系，故通常有D=0 nxxx21x系统的状态向量ruuu21u系统的输入向量myyy21y系统的输出向量nxxx21x状态向量

37、的导数插页: 39页之4/4状态方程:系统的输入-状态参数输出方程:状态参数-系统的输出67 输出反馈控制现代控制理论的基本思想 状态反馈控制插页: 40页之1/168状态可控性和状态可观测性举 例 系统的动态方程系统方框图)(0122233tuyadtdyadtydadtyd系统的状态方程： 21xx32xxuxaxaxax32212103yx1插页: 42页之1/269矩阵形式 系统的哪些状态可控？ 哪些状态可观测？3211001xxxxyuxxxaaaxxx100100010321210321插页: 42页之2/270插页: 43页之1/171一、资源压力 矿物燃料-不可再生能源 煤炭

38、石油 天然气 可再生能源 生物质能 风力资源 太阳能 其他可再生能源 生物能源等可再生固然是清洁能源，应该在政策、机制和技术上加大力度，加速推广。但由于这类能源的能源密度小，单位功率成本高，随机性大，要在整个能源中占有较大的份额是不可能的。10%已经是相当乐观的估计了。年份煤炭%石油%水能%天然气%198575.817.14.92.2199076.216.64.92.1199574.617.56.11.8199769.621.56.72.2199967.123.46.72.8我国一次能源消费量及构成72一、 采用大容量、高参数发电设备成为我国电力工业发展的重要方向：单机容量从建国初期的50MW

39、，逐步发展目前以300MW、600MW为主的水平；蒸汽参数也由8MPa/535提高到17MPa/540，并随着和技术的推广应用，最终可达到28MPa/580以上。 机组的大容量和高参数带来的是过程参数测量点的大量增加，相应的控制回路数和控制的复杂程度都大为提高，生产过程对控制精度的要求更为严格。73二、现代电站自动化的基本内容顺序控制及连锁保护顺序控制一般可分为和两类。前者是指按预定的时间顺序而触发控制作用的发生（如启动停止、闭合断开等）；而后者则是依据生产过程进行的状态决定下一步控制作用是否发生。联锁保护以逻辑控制为基础，在重要运行参数超过限定值或相关设备运行条件不满足要求时按照预先设定的程

40、序，自动终止异常的生产过程和设备，避免事故扩大，损伤人员和设备。 74三、现代电站自动化系统的基本结构 目前，大多数在建电站和计划建设电站一般都设计了分级分层的自动化系统生产管理级 MIS (Management Information System) 生产过程级 DCS (Distributed Control System) FCS (Fieldbus Control System) PLC (Programming Logic System)75智能控制理论的基本特点经典控制理论和现代控制理论的共同缺 点 经典控制理论和现代控制理论-传统控制理论对象描述：建立在被控制对象精确数学模型基础

41、上的。工业被控对象或过程常常具有非 线性、时变性、变结构、多层次、多因素以及各种不确定性等，难以建立精 确的数学模型。即使能够建立复杂对象数学模型，也往往过于复杂，不利于 控制系统的设计和实现有效控制。被控对象的复杂化，对控制精度的要求越 来越高，传统控制理论对于解决复杂性和精确性之间的矛盾日益无能为力。信息表达：传统控制理论只有单纯的数学解析结构，难以表达和处理有关被控对象的 一些不确定信息。知识表达：传统控制理论不能利用人的经验知识、技巧和直觉进行推理（目标模式识 别、控制过程模式识别、人工最优控制的具体例子）。 模式识别和最优控制 小 结： 智能化是控制理论的必然趋势 控制理论发展过程的

42、两次“回归”76几种典型的智能控制理论(续)3.1.2自动控制理论的发展 智能控制理论 人工神经网络控制 q联想、记忆与学习功能是人类智能的又一个显著特点（模式识别与控制，人的模式识别能力与机器的模式识别能力）q生物神经元结构与生物神经网络树突：细胞体向外伸出的较短的分支，其功能是接收来自其他神经元的信息，为神经元的输入端；轴突：相当于细胞体的输出端，其端部的神经末梢将信息传送给其他神经元；神经网络：单个神经元的功能十分有限，但由大量的神经元相互连接构成的神经网络则具有十分强大的联想、记忆与学习功能。q 人工神经网络模型从结构上对人脑功能模拟的一种手段q 人工神经网络模型具有学习功能，它能够适应环境的变化，自动修改网络参数，因此为解决复杂过程的自动控制提供了一条有效的途径。 专家控制 一种最简单的人工神经网络77 输出反馈控制现代控制理论的基本思想 状态反馈控制插页: 40页之1/178矩阵形式 系统的哪些状态可控？ 哪些状态可观测？3211001xxxxyuxxxaaaxxx100100010321210321插页: 42页之2/2