第8章-先进过程控制技术ppt课件.ppt

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1、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表王再英王再英 陈毅静陈毅静 编著编著 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 8.1概述概述l从从40年代开始至今，采用年代开始至今，采用PID控制规律的单回路控制规律的单回路系统一直是过程控制领域最主要的控制系统，单系统一直是过程控制领域最主要的控制系统，单回路系统主要采用经典控制理论的频域分析方法回路系统主要采用经典控制理论的频域分析方法进行控制系统的分析和设计。进行控制系统的分析和设计。PID控制算法简单、控制算法简单、有效，可以实现一般生产过程的平稳操作与运行。有效，可以实现一般生产过程的平稳

2、操作与运行。但单回路但单回路PID控制并不适用于特性复杂的被控过控制并不适用于特性复杂的被控过程，不能满足生产工艺的特殊需要和高精度控制程，不能满足生产工艺的特殊需要和高精度控制的要求。的要求。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章l 从从50年代开始，过程控制领域陆续出现了串年代开始，过程控制领域陆续出现了串级、比值、前馈、均匀和级、比值、前馈、均匀和Smith预估控制等控制系预估控制等控制系统，即所谓的复杂控制系统，这些系统在一定程统，即所谓的复杂控制系统，这些系统在一定程度上满足了复杂生产过程、特殊生产工艺以及高度上满足了复杂生产过程、特殊生产工艺以及高精度控制的需要。精度控制

3、的需要。l 从从60年代初期逐渐发展起来的以状态空间为年代初期逐渐发展起来的以状态空间为基础的现代控制理论日趋完善，形成了状态反馈、基础的现代控制理论日趋完善，形成了状态反馈、状态观测器、最优控制等一系列多变量控制系统状态观测器、最优控制等一系列多变量控制系统的设计方法，对自动控制技术的发展起到了积极的设计方法，对自动控制技术的发展起到了积极的推动作用。的推动作用。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 随着过程工业日益走向大规模、复杂化、对生随着过程工业日益走向大规模、复杂化、对生产过程的控制品质要求越来越高，出现了许多过程、产过程的控制品质要求越来越高，出现了许多过程、结构、环

4、境和控制均十分复杂的生产系统，出现了结构、环境和控制均十分复杂的生产系统，出现了先进过程控制先进过程控制APC（亦称高等过程控制）的概念。（亦称高等过程控制）的概念。关于先进过程控制，目前尚无严格而统一的定义。关于先进过程控制，目前尚无严格而统一的定义。习惯上，将那些习惯上，将那些不同于常规单回路不同于常规单回路PID控制，并具控制，并具有比常规有比常规PID控制更好控制效果的控制策略统称为控制更好控制效果的控制策略统称为先进过程控制先进过程控制，如自适应控制、预测控制、专家控，如自适应控制、预测控制、专家控制、模糊控制、神经网络控制、推理控制等都属于制、模糊控制、神经网络控制、推理控制等都属

5、于先进控制。先进控制。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 相对于传统的控制技术，先进控制有以下一些特点：相对于传统的控制技术，先进控制有以下一些特点： （1）先进控制的控制策略与传统的）先进控制的控制策略与传统的PID控制不同。控制不同。 （2）先进控制通常用于实现复杂被控过程的自动控）先进控制通常用于实现复杂被控过程的自动控制。制。（3）先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持）先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持平台。平台。 本章简单介绍近年来出现的典型先进控制，这本章简单介绍近年来出现的典型先进控制，这些控制方法在复杂工业过程控制中得到了成功的应些控制方法在复杂工业过

6、程控制中得到了成功的应用，并受到工程界的欢迎和好评。用，并受到工程界的欢迎和好评。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 8.2自适应控制自适应控制前面讨论的控制系统设计和控制器参数整定，都是前面讨论的控制系统设计和控制器参数整定，都是在假定被控过程特性呈线性、模型参数固定不变的条件在假定被控过程特性呈线性、模型参数固定不变的条件下进行的，但在实际生产中，被控过程的数学模型参数下进行的，但在实际生产中，被控过程的数学模型参数会随着生产的不断进行发生变化。为了保证控制品质，会随着生产的不断进行发生变化。为了保证控制品质，当对象特性发生变化时应该重新整定控制器参数。采用当对象特性发生变

7、化时应该重新整定控制器参数。采用常规常规PID控制不能很好地适应工艺参数的变化，导致控控制不能很好地适应工艺参数的变化，导致控制品质下降，产品产量和质量不稳定。有一种控制系统，制品质下降，产品产量和质量不稳定。有一种控制系统，它能根据被控过程特性变化情况，自动改变控制器的控它能根据被控过程特性变化情况，自动改变控制器的控制规律和可调参数，使生产过程始终在最佳状况下进行，制规律和可调参数，使生产过程始终在最佳状况下进行，这称为这称为自适应控制系统自适应控制系统。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章自适应控制系统应该具有以下基本功能：自适应控制系统应该具有以下基本功能：l辨识被控对象

8、的结构、参数和性能指标的变化，辨识被控对象的结构、参数和性能指标的变化，建立被控过程的数学模型，或确定当前的实际建立被控过程的数学模型，或确定当前的实际性能指标；性能指标；l能根据条件变化，选择合适的控制策略或控制能根据条件变化，选择合适的控制策略或控制规律，并能自动修正控制器的参数，保证系统规律，并能自动修正控制器的参数，保证系统的控制品质，使生产过程始终在最佳状况下进的控制品质，使生产过程始终在最佳状况下进行。行。根据设计原理和结构的不同，自适应控制系统根据设计原理和结构的不同，自适应控制系统可分为两大类，即自校正控制系统和模型参考可分为两大类，即自校正控制系统和模型参考自适应控制系统。自

9、适应控制系统。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章8.2.1自校正控制系统自校正控制系统自校正控制系统的原理图如图自校正控制系统的原理图如图8.1所示：所示：控制器参数计算控制器参数计算参数辨识参数辨识被控过程被控过程控制器控制器xuy图图.1自校正控制系统框图自校正控制系统框图过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 根据具体生产过程的特点，采用不同的辨识算根据具体生产过程的特点，采用不同的辨识算法、控制规律（策略）以及参数计算方法可设计出法、控制规律（策略）以及参数计算方法可设计出各种类型的自整定控制器和自校正控制系统。各种类型的自整定控制器和自校正控制系统。 8.2.

10、2模型参考自适应控制系统模型参考自适应控制系统 模型参考自适应控制系统的基本结构如图模型参考自适应控制系统的基本结构如图8.2所示所示 参考模型参考模型自适应机构自适应机构控制器控制器被控过程被控过程r+e（t）+ym（t）y（t）图图8.2 模型参考自适应控制系统框图模型参考自适应控制系统框图过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 模型参考自适应控制系统除了图模型参考自适应控制系统除了图8.2所示的并联结所示的并联结构之外，还有串联结构、串构之外，还有串联结构、串并联结构等其它形式。并联结构等其它形式。按照自适应原理不同，模型参考自适应控制系统还可分按照自适应原理不同，模型参考自适

11、应控制系统还可分为参数自适应、信号综合自适应或混合自适应等多种类为参数自适应、信号综合自适应或混合自适应等多种类型。型。 8.3预测控制预测控制被控过程的数学模型的准确程度直接影响到控制的被控过程的数学模型的准确程度直接影响到控制的质量。对于复杂的工业过程，要建立它的准确模型是非质量。对于复杂的工业过程，要建立它的准确模型是非常困难的。常困难的。1978年年Richalet提出的预测控制是一种对模提出的预测控制是一种对模型精度要求不高而同样能实现高质量控制的方法型精度要求不高而同样能实现高质量控制的方法 ，并，并很快在工业生产过程自动化中获得了成功的应用。很快在工业生产过程自动化中获得了成功的

12、应用。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 虽然这些控制算法的表达形式和控制方案各不相虽然这些控制算法的表达形式和控制方案各不相同，但都是采用工业过程中较易得到的对象的脉冲响同，但都是采用工业过程中较易得到的对象的脉冲响应或阶跃响应曲线为依据，并将它们在采样时刻的一应或阶跃响应曲线为依据，并将它们在采样时刻的一条列数值作为描述对象动态特性的数据，构成预测模条列数值作为描述对象动态特性的数据，构成预测模型，据此确定控制量的时间序列，使未来一段时间中型，据此确定控制量的时间序列，使未来一段时间中被控量与期望轨迹之间的误差最小，这种被控量与期望轨迹之间的误差最小，这种“优化优化”过过程反

13、复在线进行，这就是程反复在线进行，这就是预测控制的基本思想预测控制的基本思想。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章8.3.1模型算法控制模型算法控制 MAC的原理图如图的原理图如图8.3所示。所示。参考轨迹参考轨迹优化算法优化算法被控过程被控过程内部模型内部模型闭环预测输出闭环预测输出ryr(k+i)+_u(k)y(k)+_e(k)ym(k+i)yp(k+i)=ym(k+i)+hie(k)图图8.3 MAC原理框图原理框图ym(k)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 模型算法控制的结构包括内部模型、反馈校正、模型算法控制的结构包括内部模型、反馈校正、滚动优化、参考轨

14、迹四个环节。具体的模型算法可分滚动优化、参考轨迹四个环节。具体的模型算法可分为单步模型算法、多步模型算法、增量模型算法和单为单步模型算法、多步模型算法、增量模型算法和单值模型算法等多种算法控制。下面以多步模型算法控值模型算法等多种算法控制。下面以多步模型算法控制为例，说明各个环节的算法和整个系统的工作原理。制为例，说明各个环节的算法和整个系统的工作原理。 1内部模型内部模型对于有自衡特性的对于有自衡特性的 对象，模型算法控制采对象，模型算法控制采 用单位脉冲响应曲线作用单位脉冲响应曲线作 为内部模型。如图为内部模型。如图8.4所所 示。示。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 设当

15、前时刻为设当前时刻为k，对于图，对于图8.4所示的内部模型，所示的内部模型，可以根据过去和未来的输入数据，由卷积方程计算可以根据过去和未来的输入数据，由卷积方程计算出被控过程未来出被控过程未来ki时刻输出时刻输出y (ki)的预测值的预测值 （8.1）ki-1时刻预测模型输出时刻预测模型输出ym(ki-1) （8.2） 将式将式(8.1)与式与式(8.2)相减可得增量表达式相减可得增量表达式 (8.3)Njjjikugiky1m)()(Njjjikugiky1m11)()(Njjjikugikyiky1mm1)()()(过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章过程控制系统与仪表过程控制

16、系统与仪表 第第8章章 2反馈校正反馈校正 对式（对式（8.1）的开环预测模型的输出进行）的开环预测模型的输出进行修正修正。通。通常采用第常采用第k步的实际输出测量值步的实际输出测量值y(k)与预测输出值与预测输出值ym(k)之间的误差之间的误差e (k)= y (k) 一一 ym(k)对模型的预测输出对模型的预测输出ym(ki)进行修正。修正后的预测值用进行修正。修正后的预测值用 yp(ki)表示表示 yp ( k+i ) = ym ( k+i ) + hi y ( k ) ym ( k ) =ym ( k+i )+ hi e ( k )（8.4） 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第

17、8章章 由式（由式（8.4）可知，由于每个预测时刻都引入了当）可知，由于每个预测时刻都引入了当前时刻实际对象输出和预测模型输出的偏差对开环模前时刻实际对象输出和预测模型输出的偏差对开环模型预测值型预测值ym(ki)进行修正，这样可克服模型不精确和进行修正，这样可克服模型不精确和系统中存在的不确定性可能带来的误差。用修正后的系统中存在的不确定性可能带来的误差。用修正后的预测值预测值yp(ki)作为计算最优性能指标的依据，实际上作为计算最优性能指标的依据，实际上是对测量值是对测量值y(k)的一种负反馈，故称的一种负反馈，故称反馈校正反馈校正。由于存。由于存在反馈环节，经过反馈校正，控制系统的鲁棒性

18、就有在反馈环节，经过反馈校正，控制系统的鲁棒性就有了很大提高，这也是预测控制得到广泛应用的一个重了很大提高，这也是预测控制得到广泛应用的一个重要原因。要原因。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 3参考轨迹参考轨迹模型算法控制的目的是使输出模型算法控制的目的是使输出y(k)沿着一条事先规沿着一条事先规定好的曲线逐渐达到给定值定好的曲线逐渐达到给定值r，这条指定曲线称为参考，这条指定曲线称为参考轨迹轨迹yr。通常参考轨迹采用从现在时刻。通常参考轨迹采用从现在时刻k对象实际输出对象实际输出值值y(k)出发的一阶指数曲线。出发的一阶指数曲线。yr在未来在未来k 十十i时刻的数值时刻的数值

19、为为 yr ( k ) = y ( k ) yr ( k+i ) = ari y (k) + ( 1 - ari ) r （8.5） 采用这种参考轨迹，将会减小过量的控制作用，使采用这种参考轨迹，将会减小过量的控制作用，使系统输出能平滑地到达设定值系统输出能平滑地到达设定值r；参考轨迹的时间常数；参考轨迹的时间常数T0越大，越大，r值也越大，值也越大，yr越平滑，系统的柔性越好，鲁越平滑，系统的柔性越好，鲁棒性也越强，但控制快速性也会降低。棒性也越强，但控制快速性也会降低。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 4滚动优化滚动优化预测控制是一种最优控制策略，其目标函数预测控制是一种

20、最优控制策略，其目标函数JP是是使某项性能指标最小。最常用的是二次型目标函数使某项性能指标最小。最常用的是二次型目标函数 （8.6） 这种方法采用滚动式的有限时域优化算法，优化这种方法采用滚动式的有限时域优化算法，优化过程是在线反复计算，对模型时变、干扰和失配等影过程是在线反复计算，对模型时变、干扰和失配等影响能及时补偿，因而称其为响能及时补偿，因而称其为滚动优化算法滚动优化算法。 2121rp1MjjPiipjkuikyikyJ)()()( 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 由于目标函数中加人控制量的约束，可限制过由于目标函数中加人控制量的约束，可限制过大的控制量冲击，使过程

21、输出变化平稳，参考轨迹大的控制量冲击，使过程输出变化平稳，参考轨迹曲线曲线yr(t)如图如图8.5所示。所示。过去过去未来未来过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章21设拟合直线方程：最小二乘拟合法min2112niiiniibkxy最小二乘法拟合最小二乘法拟合y=kx+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为最小二乘法拟合直线的原理就是使 为最小值，即i=yi-(kxi+b) 对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章22即得到k和b的表达式022iiiixbkxyk0122bkxybiii22iii

22、iiixxnyxyxnk 222iiiiiiixxnyxxyxb将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章23X0.9 2.5 3.3 4.5 5.7 6.7y1.1 1.6 2.6 3.2 4.0 5.022222)()(,)()(, iiiiiiiiiiiiiiiixxnyxxyxbxxnyxyxnkbkxybkxy带入数据得： ，68. 0k25. 0b25.068.0 xy过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章8.3.2动态矩阵控制动态矩阵控制 1980年由年由Culter提出的动态

23、矩阵控制提出的动态矩阵控制DMC也是预也是预测控制的一种重要算法，测控制的一种重要算法，DMC与与MAC的差别是内部的差别是内部模型不同。模型不同。DMC采用工程上易于测取的对象阶跃响应采用工程上易于测取的对象阶跃响应做为内部模型，在实际应用取得了显著的效果，并在做为内部模型，在实际应用取得了显著的效果，并在石化领域得到广泛的应用。石化领域得到广泛的应用。 1内部模型内部模型DMC的内部模型为单位阶跃响应曲线，如图的内部模型为单位阶跃响应曲线，如图.6所示。所示。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 单位阶跃响应曲线同单位脉冲响应曲线一样可以单位阶跃响应曲线同单位脉冲响应曲线一样

24、可以表示对象的动态特性，二者之间的转换关系为表示对象的动态特性，二者之间的转换关系为 （8.7）1100iiiijjiaagaga;过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 将式（将式（8.7）代入式（）代入式（8.1） 式式(8.8）还可表示为）还可表示为 （8.9） )()()()() ()() ()()(NikuaikuaikuaNikuaaikuaaikuaikyNNN2121211121mNjjjikua1)(Mjjijkuaikyiky110m1)()()(（8.8） 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章如果定义向量和矩阵如果定义向量和矩阵 YM(k+1)=yM

25、 (k+1) y M (k+2) y M (k+p) T Y0 (k+1)=y0 (k+1) y0 (k+2) y0 (k+p) T则式（则式（8.9）可表示为）可表示为 （8.10）TMkukukukU)()()()(1111111210MPpPMMaaaaaaaaaA)()()(kUAkYkYM110过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 2反馈校正反馈校正由于非线性、随机干扰等因素，模型预测值由于非线性、随机干扰等因素，模型预测值与实际输出可能存在差异，为了减少这种影响，与实际输出可能存在差异，为了减少这种影响，用对象实际输出和预测模型输出的偏差用对象实际输出和预测模型输出的偏

26、差e(k)= y (k) 一一 ym(k)，对模型预测值，对模型预测值ym(k)进行修正进行修正 yp ( k+i ) = ym ( k+i )+hi y ( k ) ym ( k ) = ym ( k+i ) + hi e( k )（8.11） 通过对预测值进行修正，构成反馈校正，形成闭通过对预测值进行修正，构成反馈校正，形成闭环预测输出，提高了系统的鲁棒性。环预测输出，提高了系统的鲁棒性。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 如果定义向量如果定义向量 Yp(k+1)=yp(k+1) yp(k+2) yp(k+p) T Y (k+1)=y (k+1) y (k+1) y (k+p

27、) T H=h1 h2 hmT 则式（则式（8.11）可表示为）可表示为 Yp(k+1)=YM(k+1)+Hy (k+1) -y M(k+1) （8.12） 8.3.3广义预测控制与内部模型控制广义预测控制与内部模型控制 1广义预测控制广义预测控制 Clarke于于1985年提出广义预测控制年提出广义预测控制GPC，在保留，在保留MAC、DMC算法特点的基础上，采用受控自回归积分滑动平均模型算法特点的基础上，采用受控自回归积分滑动平均模型CARIMA或受控自回归滑动平均模型或受控自回归滑动平均模型CARMA 作为内部模型，作为内部模型，对模型失配、模型参数误差的鲁棒性有所提高。对模型失配、模型

28、参数误差的鲁棒性有所提高。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章2内部模型控制内部模型控制 内部模型控制（内部模型控制（IMC）是）是Garcia和和Morari于于1982年提出来的一种控制算法，其基本结构如图年提出来的一种控制算法，其基本结构如图8.7所示。所示。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 8.4专家控制专家控制专家控制（也称专家智能控制）是专家系统与传统专家控制（也称专家智能控制）是专家系统与传统控制理论结合，它将专家系统理论同控制理论与技术相控制理论结合，它将专家系统理论同控制理论与技术相结合，在未知环境下仿效专家的智能，实现对系统的控结合，在未知环境下

29、仿效专家的智能，实现对系统的控制。制。根据专家系统在控制系统中应用的复杂程度，专家根据专家系统在控制系统中应用的复杂程度，专家控制可分为专家控制系统和专家式控制器。专家控制系控制可分为专家控制系统和专家式控制器。专家控制系统具有全面的专家系统结构、完善的知识处理功能，同统具有全面的专家系统结构、完善的知识处理功能，同时又具有实时控制的可靠性能；专家式控制器是专家控时又具有实时控制的可靠性能；专家式控制器是专家控制系统的简化，二者在功能上没有本质的区别。制系统的简化，二者在功能上没有本质的区别。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 专家控制能够运用控制工作者成熟的控制思想、专家控制能

30、够运用控制工作者成熟的控制思想、策略和方法以及直觉经验和手动控制技能进行控制。策略和方法以及直觉经验和手动控制技能进行控制。专家控制统不仅可以提高常规控制系统的控制品质，专家控制统不仅可以提高常规控制系统的控制品质，拓宽控制系统应用范围，而且可以对传统控制方法难拓宽控制系统应用范围，而且可以对传统控制方法难以奏效的复杂生产过程实现高品质控制。以奏效的复杂生产过程实现高品质控制。 1专家控制系统的类型专家控制系统的类型根据用途和功能，专家控制系统可分为直接型专根据用途和功能，专家控制系统可分为直接型专家控制系统（器）和间接型专家控制系统（器）；根家控制系统（器）和间接型专家控制系统（器）；根据知

31、识表达技术分类，可分为产生式专家控制系统和据知识表达技术分类，可分为产生式专家控制系统和框架式专家控制系统等。框架式专家控制系统等。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章（1）直接型专家控制系统）直接型专家控制系统 直接型专家控制系统（器）具有模拟（或延伸、直接型专家控制系统（器）具有模拟（或延伸、扩展）操作工人的智能的功能，能够取代常规扩展）操作工人的智能的功能，能够取代常规PID控制，控制，实现在线实时控制。它的知识表达和知识库均较简单，实现在线实时控制。它的知识表达和知识库均较简单，由几十条产生式规则构成，便于修改，其推理和控制策由几十条产生式规则构成，便于修改，其推理和控制策

32、略简单，推理效率较高。略简单，推理效率较高。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章（2）间接型专家控制系统）间接型专家控制系统 间接型专家控制系统和常规间接型专家控制系统和常规PID控制器相结合，控制器相结合，对生产过程实现间接智能控制，具有模拟控制工程师对生产过程实现间接智能控制，具有模拟控制工程师的智能的功能，可实现的智能的功能，可实现优化、适应、协调、组织优化、适应、协调、组织等高等高层决策。按其高层决策功能，可分为优化型、适应型、层决策。按其高层决策功能，可分为优化型、适应型、协调型和组织型专家控制系统。这类专家控制系统功协调型和组织型专家控制系统。这类专家控制系统功能复杂，

33、智能水平较高，相应的知识表达需采用综合能复杂，智能水平较高，相应的知识表达需采用综合技术，既用产生式规则，也要用框架和语义网络以及技术，既用产生式规则，也要用框架和语义网络以及知识模型和数学模型相结合的综合模型化方法。系统知识模型和数学模型相结合的综合模型化方法。系统功能可在线实时实现，也可通过人机交互或离线实现。功能可在线实时实现，也可通过人机交互或离线实现。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章2专家控制系统基本组成专家控制系统基本组成不同类型专家控制系统的结构可能有很大差别，不同类型专家控制系统的结构可能有很大差别，但都包含算法库、知识基系统、人但都包含算法库、知识基系统、人-

34、机接口、通信系统机接口、通信系统等基本组成部分，如图等基本组成部分，如图8.8所示。所示。人机人机接口接口通信通信系统系统知知识识基基系系统统算法库：算法库：辨识算法辨识算法监督算法监督算法控制算法控制算法控控制制对对象象图图8.8 专家控制系统典型结构框图专家控制系统典型结构框图过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章算法库主要进行数值计算：算法库主要进行数值计算：l控制算法根据知识基系统的控制配置命令和对象的控制算法根据知识基系统的控制配置命令和对象的测量信号，按选定的控制策略或最小方差等算法计测量信号，按选定的控制策略或最小方差等算法计算控制信号。算控制信号。l辨识算法和监控算法

35、是从数值信号流中抽取特征信辨识算法和监控算法是从数值信号流中抽取特征信息，只有当系统运行状况发生某种变化时，才将运息，只有当系统运行状况发生某种变化时，才将运算结果送入知识基系统，增加或更新知识。算结果送入知识基系统，增加或更新知识。 知识基系统贮存控制系统的知识信息，包括数知识基系统贮存控制系统的知识信息，包括数据库和规则库。在稳态运行期间，知识基系统是闲据库和规则库。在稳态运行期间，知识基系统是闲置的，整个系统按传统控制方式运行。知识基系统置的，整个系统按传统控制方式运行。知识基系统具有定性的启发式知识，进行符号推理，按专家系具有定性的启发式知识，进行符号推理，按专家系统的设计规范编码，通

36、过算法库与对象相连。统的设计规范编码，通过算法库与对象相连。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 人一机接口作为人一机界面，把用户输入的信息人一机接口作为人一机界面，把用户输入的信息转换成系统内规范化的表示形式，然后交给相应模块转换成系统内规范化的表示形式，然后交给相应模块去处理；把系统输出的信息转换成用户易于理解的外去处理；把系统输出的信息转换成用户易于理解的外部表示形式显示给用户，实现与知识基系统的直接交部表示形式显示给用户，实现与知识基系统的直接交互联系，与算法库间接联系。互联系，与算法库间接联系。 由于生产过程的复杂性和先验知识的局限性，难由于生产过程的复杂性和先验知识的局

37、限性，难以对它进行完善的建模，这时就要根据过去获得的经以对它进行完善的建模，这时就要根据过去获得的经验信息，通过估计来学习，逐渐逼近未知信息的真实验信息，通过估计来学习，逐渐逼近未知信息的真实情况，使控制性能逐步改善，具有学习功能的系统才情况，使控制性能逐步改善，具有学习功能的系统才是完善的专家控制系统。是完善的专家控制系统。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 8.5模糊控制模糊控制 在实际生产中有相当数量的过程用传统的方法难以在实际生产中有相当数量的过程用传统的方法难以实现自动控制。但一个熟练的操作人员可能并没有多少实现自动控制。但一个熟练的操作人员可能并没有多少控制理论知识，

38、也不知道被控过程数学模型，却能凭自控制理论知识，也不知道被控过程数学模型，却能凭自己丰富的实践经验，通过手动操作实现复杂生产过程的己丰富的实践经验，通过手动操作实现复杂生产过程的控制。人们的经验知识具有模糊性，无法用精确的数学控制。人们的经验知识具有模糊性，无法用精确的数学语言表达，但可用模糊集合与模糊逻辑描述。语言表达，但可用模糊集合与模糊逻辑描述。1974年，年，英国的英国的EHMamdani根据美国自动控制理论专家根据美国自动控制理论专家LAZadeh于于1965年提出的模糊集合理论，提出了模年提出的模糊集合理论，提出了模糊控制器的概念，标志模糊控制的正式诞生。糊控制器的概念，标志模糊控

39、制的正式诞生。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 与各种精确控制方法相比，模糊控制有如下优点：与各种精确控制方法相比，模糊控制有如下优点： （1）模糊控制使一些难于建模的复杂生产过程的自动）模糊控制使一些难于建模的复杂生产过程的自动控制成为可能。控制成为可能。 （2）模糊控制具有较强的鲁棒性，被控过程特性对控）模糊控制具有较强的鲁棒性，被控过程特性对控制性能影响较小。制性能影响较小。 （3）基于模糊控制规则的推理、运算过程简单，控制）基于模糊控制规则的推理、运算过程简单，控制实时性好。实时性好。 （4）模糊控制机理符合人们对过程控制作用的直观描）模糊控制机理符合人们对过程控制作

40、用的直观描述和思维逻辑，为人工智能和专家系统在过程控制中的述和思维逻辑，为人工智能和专家系统在过程控制中的应用奠定了基础。应用奠定了基础。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 8.5.1模糊控制系统的基本结构模糊控制系统的基本结构 图图8.9为模糊控制系统的方块图，虚线框部分为为模糊控制系统的方块图，虚线框部分为模糊控制器。系统将测得的数据模糊控制器。系统将测得的数据y（被控参数）与（被控参数）与给设值进行比较后得到的偏差给设值进行比较后得到的偏差e和偏差变化率和偏差变化率输入输入到模糊控制器，模糊控制器通过计算得出控制量到模糊控制器，模糊控制器通过计算得出控制量u，通过通过u对生

41、产过程进行控制。对生产过程进行控制。A/D模糊化模糊化处理处理模糊控模糊控制算法制算法去模糊去模糊化处理化处理D/A被被控控过过程程dtr+-ye（t）u模糊控制器模糊控制器图图8.9 模糊控制系统框图模糊控制系统框图过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 模糊控制器的输入、输出变量都是精确的数值，模糊控制器的输入、输出变量都是精确的数值，模糊控制器采用模糊语言变量，用模糊逻辑进行推理。模糊控制器采用模糊语言变量，用模糊逻辑进行推理。模糊控制器的基本结构框图如图模糊控制器的基本结构框图如图8.10所示。所示。 A/D模模糊糊化化模糊规模糊规则推理则推理清清晰晰化化D/A知识库知识库

42、图图8.10 模糊控制器结构框图模糊控制器结构框图过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 1模糊化模糊化 模糊化是将偏差模糊化是将偏差e及其变化率及其变化率的精确量转换为模糊的精确量转换为模糊语言变量，即根据输入变量模糊子集的隶属函数找出相语言变量，即根据输入变量模糊子集的隶属函数找出相应的隶属度，将应的隶属度，将e和和变换成模糊语言变量变换成模糊语言变量E、。在实。在实际控制过程中，把一个实际物理量划分为际控制过程中，把一个实际物理量划分为“正大正大”，“正中正中”，“正小正小”，“零零”，“负小负小”，“负中负中”，“负大负大”7级，分别以英文字母级，分别以英文字母PB、PM、P

43、S、ZE、NS、NM、NB表示。每一个语言变量值都对应一个模糊子集。表示。每一个语言变量值都对应一个模糊子集。首先要确定这些模糊子集的隶属度函数首先要确定这些模糊子集的隶属度函数()，才能进行，才能进行模糊化。模糊化。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 隶属度函数曲线一般选择三角形或梯形。在某一隶属度函数曲线一般选择三角形或梯形。在某一区间内，要求控制器精度高、响应灵敏，则相应区间区间内，要求控制器精度高、响应灵敏，则相应区间的分割细一些、三角形隶属度函数曲线斜率取大一些，的分割细一些、三角形隶属度函数曲线斜率取大一些，如图如图8.11（a）所。反之，则如图）所。反之，则如图8

44、.11（b）所示。）所示。 隶属度隶属度隶属度隶属度过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 2模糊规则推理模糊规则推理 模糊控制器的核心是依据语言规则进行模糊推模糊控制器的核心是依据语言规则进行模糊推理，在控制器设计时，首先要确定模糊语言变量的理，在控制器设计时，首先要确定模糊语言变量的控制规则。控制规则。 规则的形式为：规则的形式为：IFTHEN。 一般描述为：一般描述为：IF X is A and Y is B，THEN Z is C。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 3清晰化清晰化 清晰化即是将模糊语言变量转换为精确的数值，清晰化即是将模糊语言变量转换为精确的

45、数值，即根据输出模糊子集的隶属度计算出确定的输出数即根据输出模糊子集的隶属度计算出确定的输出数值。清晰化有各种方法，其中最简单的一种是最大值。清晰化有各种方法，其中最简单的一种是最大隶属度方法。在控制技术中最常用的清晰化方法则隶属度方法。在控制技术中最常用的清晰化方法则是面积重心法是面积重心法COG，其计算式为，其计算式为 （8.13） )()(iiiuuuu 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 式中，式中， (ui)为各规则结论为各规则结论ui的隶属度。对于连续变的隶属度。对于连续变量，式（量，式（8.13）的和式变为积分形式来表示）的和式变为积分形式来表示 （8.14） 此外

46、，还有一些可供选择的清晰化计算方法，此外，还有一些可供选择的清晰化计算方法，如最大值平均如最大值平均 MOM、左取大、左取大LM、右取大、右取大R、乘积、乘积和重心法和重心法PSG等。在选择清晰化方法时，应考虑隶等。在选择清晰化方法时，应考虑隶属度函数的形状、所选择的推理方法等因素。属度函数的形状、所选择的推理方法等因素。duuuduuu)()( 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 4知识库知识库 知识库中包含了有关控制系统及其应用领域的知识库中包含了有关控制系统及其应用领域的知识、要达到的控制目标等，由数据库和模糊控制知识、要达到的控制目标等，由数据库和模糊控制规则库组成。规则

47、库组成。 数据库主要包括各语言变量的隶属度函数、尺数据库主要包括各语言变量的隶属度函数、尺度变换因子以及模糊空间的分级数等；规则库包括度变换因子以及模糊空间的分级数等；规则库包括用模糊语言变量表示的一系列控制规则，它们反映用模糊语言变量表示的一系列控制规则，它们反映了控制专家的经验和知识。了控制专家的经验和知识。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 8.5.2模糊控制的几种实现方法模糊控制的几种实现方法 1CRI查表法查表法 CRI（关系合成推理（关系合成推理 ）查表法是模糊控制最早）查表法是模糊控制最早采用的方法。所谓查表法就是将所有可能输入变量采用的方法。所谓查表法就是将所有可

48、能输入变量的隶属度函数、模糊控制规则及输出变量的隶属度的隶属度函数、模糊控制规则及输出变量的隶属度函数都用表格（称为模糊控制表）来表示。输入变函数都用表格（称为模糊控制表）来表示。输入变量模糊化、模糊规则推理和输出变量的清晰化均通量模糊化、模糊规则推理和输出变量的清晰化均通过查表实现。过查表实现。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 2专用硬件模糊控制器专用硬件模糊控制器 专用硬件模糊控制器是用硬件直接实现模糊规则专用硬件模糊控制器是用硬件直接实现模糊规则推理。优点是推理速度快，控制精度高。推理。优点是推理速度快，控制精度高。 3软件模糊推理法软件模糊推理法 软件模糊推理法的特点

49、就是模糊控制过程中输入软件模糊推理法的特点就是模糊控制过程中输入量模糊化、模糊规则推理、输出清晰化和知识库这量模糊化、模糊规则推理、输出清晰化和知识库这四部分都用软件来实现。四部分都用软件来实现。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 8.6神经网络控制神经网络控制 基于神经网络的控制是一种基本上不依赖于模型基于神经网络的控制是一种基本上不依赖于模型的控制方法，适用于难于建模或具有高度非线性的的控制方法，适用于难于建模或具有高度非线性的被控过程。被控过程。 8.6.1神经元模型神经元模型 1生物神经元模型生物神经元模型 人的大脑是由大量的神经细胞组合而成的，它们人的大脑是由大量的神经

50、细胞组合而成的，它们之间互相连接。每个脑神经细胞（也称神经元）具之间互相连接。每个脑神经细胞（也称神经元）具有如图有如图8.12所示的结构。所示的结构。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第8章章 脑神经元由细胞体、脑神经元由细胞体、树突和轴突构成。细胞树突和轴突构成。细胞体是神经元的中心。树体是神经元的中心。树突是神经元的主要接受突是神经元的主要接受器，用来接受信息。轴器，用来接受信息。轴突传导信息，从轴突起突传导信息，从轴突起点传到轴突末梢，轴突点传到轴突末梢，轴突末梢与另一个神经元的末梢与另一个神经元的树突或细胞体构成一种树突或细胞体构成一种突触的机构。通过突触突触的机构。通过突触