化工仪表及自动化（厉玉鸣）（第三版） 第14章 高级控制系统.ppt

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1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化第十四章第十四章 高级控制系统高级控制系统 内容提要内容提要n自适应控制系统自适应控制系统n参考模型自适应控制系统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预测控制预测控制n智能控制系统智能控制系统n神经元网络控制神经元网络控制1内容提要内容提要n模糊控制系统模糊控制系统n最优控制系统最优控制系统n控制管理一体化控制管理一体化2概述概述n新型控制系统的主要特征：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

2、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第一节第一节 自适应控制系统自适应控制系统自适应控制自适应控制自适应控制自适应控制是针对不确定性的系统而提出的。分分类类 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第一节第一节 自适应控制系统自适应控制系统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一、参考模型自适应控制系统 该该类类自自适适应应控控制制系系统统实实际际上上是是在在原原来来的的反反馈馈控控制制基基

3、础础上上附附加加一一个个参参考考模模型型和和一一个个控控制制器器参数的自动调整回路。参数的自动调整回路。设设计计这这类类自自适适应应控控制制系系统统的的关关关关键键键键问问问问题题题题是是如如何何综综合合自自适适应应律律。目目前前综综合合自自适适应应律律有有两两种种方方法法,一一种种为为参参数数最最优优化化的的综综合方法；另一种是基于稳定理论的综合方法。合方法；另一种是基于稳定理论的综合方法。第一节第一节 自适应控制系统自适应控制系统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通过在线辨识获取对象的数学模型,

4、然后由控制器对系统进然后由控制器对系统进行控制。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第二节第二节 预测控制系统预测控制系统7 预预预预测测测测控控控控制制制制系系系系统统统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xyyyuu+-图14-3 预测控制系统第三节第三节 智能控制系统智能控制系统8 智智智智能能能能控

5、控控控制制制制系系系系统统统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。第三节第三节 智能控制系统智能控制系统专家系统的作用专家系统的作用 作为理理论论研研究究的工具推动了人工智能的发展；作为一种实实用用工工具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第三节第三节 智能控制系统智能

6、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第三节第三节 智能控制系统智能控制系统举例举例 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第三节第三节 智能控制系统智能控制系统 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。智智能能控控制制可可以以置置于于基基层层控控制制、优

7、优化化控控制制、甚甚至至经经营管理的不同层次。营管理的不同层次。12第四节第四节 神经元网络控制神经元网络控制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。人人工工神神经经元元网网络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第四节 神经元网络控制神经元网络控制14输入xi与输出y的关系人工神经网络人工神经网络定义定义按一定方式连接而成的网络结构。结构上分类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。模拟方法模拟方法第四节第四节 神经元网络控制神经元网络控制

8、神经元网络控制神经元网络控制作用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第五节第五节 模糊控制系统模糊控制系统 模模模模糊糊糊糊控控控控制制制制系系系系统统统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yee-图14-7 模糊控制系统方块图16第五节第五节

9、模糊控制系统模糊控制系统模糊控制器包括三个部分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第六节第六节 最优控制系统最优控制系统 要要想想使使最最优优控控制制系系统统的的设设计计和和运运行行获获得得成成功功,必必须须解决好三个关键的问题：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第六节第六节 最优控制系统最优控制系统分类分类分类分类动态最优控制和静态最优控制动动动动态态态态最最最最优优优优控控控控制制制制要求的数学模型应是动态的。解决动态最

10、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。静静静静态态态态最最最最优优优优控控控控制制制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。被被控控变变量量保保持持或或接接近近给给定定值值，就就能能说说明明工工况况是是最最优优的的吗？吗？19第六节第六节 最优控制系统最优控制系统根据操作优化控制的做法不同根据操作优化控制的做法不同,大致有三种情况大致有三种情况:1.1.1.1.一次性调优一次性调优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

11、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第六节第六节 最优控制系统最优控制系统 2.2.2.2.开环的操作优化指导开环的操作优化指导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第六节第六节 最优控制系统最优

12、控制系统 3.3.3.3.闭环的操作优化控制闭环的操作优化控制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fuyx图14-8 闭环操作优化控制方块图22第七节第七节 控制管理一体化控制管理一体化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,称之为控制管理一体化的新模式。n 20世纪80年代,在机械加工行业提出了计算机集成制造系统(CIMS)的构思与实践索。n 计算机集成过程系统？n 控制管理一体化系统是一个有机的整体。要在硬件和软件上综合考虑。n 对复杂的工业过程要进行系统的分解和协调，建立不同的模型，使用不同的控制和决策方法。23