第9章 复杂控制系统-2

1、昆明理工大学昆明理工大学杨彪杨彪20102011学年下学年下第八章第八章复杂控制系统复杂控制系统昆明理工大学知识结构知识结构第第5章章 自动控制仪表自动控制仪表第第6章章 执行器执行器第第2章章 过程特性过程特性第第3章章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器第第4章章 显示仪表显示仪表第第1章自动控制系统基本概念章自动控制系统基本概念第第7章章 简单控制系统简单控制系统 第第8章章 复杂控制系统复杂控制系统第第9章章 新型控制系统新型控制系统第第10章章 计算机控制系统计算机控制系统昆明理工大学新型控制系统新型控制系统化工仪表及自动化化工仪表及自动化Measurement &Process co

2、ntrol Technology第八章第八章 复杂控制系统复杂控制系统（二）（二）昆明理工大学5 5 选择性选择性控制控制系统系统昆明理工大学一、选择性一、选择性控制原理控制原理 常规控制系统都是在生产过程处于正常工作时发挥作用的。遇到不正常，退回到手动，恢复正常后再切换到自动。现代生产过程要求控制系统既能工作在正常工况下又要能在非正常工况下起控制作用，尽量使生产过程尽快恢复到正常工况。非正常工况时的控制系统属于安全保护措施。 昆明理工大学一、选择性一、选择性控制原理控制原理 1、硬保护 两类安全保护措施两类安全保护措施 硬保护就是连锁保护控制系统。当生产过程工况超出一定范围时，连锁保护系统采

3、取一系列相应的措施，如报警、自动到手动、连锁动作等，使生产过程处于相对安全的状态。这类措施经常导致生产停车停车，造成较大经济损失。 昆明理工大学一、选择性一、选择性控制原理控制原理2、软保护措施 两类安全保护措施两类安全保护措施 就是当生产过程工况超出一定范围时，不是消极地进入连锁保护甚至停车，而是自动地切换到一种新新控制系统，这个新的控制系统取代了原来的控制系统对生产过程进行控制，当工况恢复后又自动的切换到原来的控制系统中。由于要对工况是否正常进行判断判断，要在两个控制系统中进行选择选择，因此称为选择性控制，也称取代控制和超驰控制。 昆明理工大学一、选择性一、选择性控制原理控制原理2、软保护

4、措施 选择器选择器 选择性控制系统在结构上的最大特点就是有一个选择器，通常有两个输入信号，一个输出信号，如图所示13-23。对于高选器，正常工况下参与控制的信号比较强，如设为X1，则X1明显大于X2。出现不正常工况时，X1要小于X2，高选器输出Y等于X2进而进入新的控制系统，待工况正常后，X1又大于X2，恢复到原来的控制系统。 昆明理工大学一、选择性一、选择性控制原理控制原理使用选择器的控制系统就是选择控制系统 选择器选择器图图8-23 高选器和低选器高选器和低选器 昆明理工大学一、选择性一、选择性控制原理控制原理1、开关型选择性控制系统 二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型 以图9-

5、24所示的丙烯冷却器温度控制系统为例，目的是使裂解气的温度下降并稳定在一定的温度。正常工况下，通过调节液态丙烯的流量来改变冷却器内丙烯的液位，进而使得载有裂解气的列管与液态丙烯的接触面积变化来控制裂解气的温度。昆明理工大学二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型图图8-24 丙烯冷却器温度控制系统丙烯冷却器温度控制系统 昆明理工大学一、选择性一、选择性控制原理控制原理1、开关型选择性控制系统 二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型 若扰动很大，裂解气进口温度很高，即使液面上升到全部列管都浸没全部列管都浸没在液态丙烯中，仍然不能将温度降下来，

6、而且，由于液面很高，液态丙烯蒸发空间太小，使换热效率换热效率下降。更为严重的情况是出口丙烯中可能带有液体，即带液带液现象现象，带液气体进入压缩机是不允许的。也就是说，在非正常工况时，图8-24所示的控制系统无法有效工作。 昆明理工大学一、选择性一、选择性控制原理控制原理二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型 在简单控制系统的基础上，增加液位变送器和电磁三通阀，构成了如图8-25所示的选择性控制系统。正常工况下，三通阀将温度控制器来的控制信号P送到气动控制阀的气室，系统与简单控制系统相同。当液位上升到一定位置时，液位变送器的上限上限触点触点接通，电磁阀通电通电，切断控制信号切断控制信号P的

7、通路的通路，将大气通入控制阀的气室，阀门关闭。等到液位恢复正常时，液位报警触点断开，电磁三通 阀失电，系统恢复到简单稳定控制系统。 昆明理工大学二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型图图8-25 丙烯冷却器开关型选择性控制系统丙烯冷却器开关型选择性控制系统 昆明理工大学二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型图图8-26 选择性温度控制系统选择性温度控制系统 昆明理工大学一、选择性一、选择性控制原理控制原理2、连续型选择性控制系统 二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型 开关型选择性控制系统

8、的控制阀，在正常工况向非正常工况切换时不是全开全开就是全关全关。 连续型选择性控制系统则是切换到另外一个连续控制系统。如图8-27所示的压缩机连续型选择控制系统。昆明理工大学二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型图图8-27 压缩机连续型选择性控制系统压缩机连续型选择性控制系统 昆明理工大学一、选择性一、选择性控制原理控制原理3、混合型选择性控制系统 二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型 同时是开关型选择性控制系统与连续型选择性控制系统在一个控制系统中，就是混合型选择控制系统。 在锅炉燃烧系统中，要避免两个极端情况出现：（1）燃料气压力

9、过高，产生“脱火”现象，导致燃烧室中火焰熄灭，大量未燃烧的燃料气积存在燃烧室内，烟囱冒黑烟，并有爆炸危险。昆明理工大学一、选择性一、选择性控制原理控制原理3、混合型选择性控制系统 二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型（2）燃料气压力过低，太低的燃料气压力有“回火”危险，导致燃料气储罐燃烧和爆炸。 正常工况下，蒸汽压力P1上升，a下降，d下降，阀门关小，燃料气流量减小，使得P1下降，实现控制。昆明理工大学二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型图图8-28 锅炉燃烧系统混合型选择性控制系统锅炉燃烧系统混合型选择性控制系统 昆明理工大学二、选

10、择性控制系统类型二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型二、选择性控制系统类型积分饱和及其防治积分饱和及其防治产生条件：产生条件：1）控制器具有积分作用）控制器具有积分作用2）控制器处于开环工作状态，其输出没有被送）控制器处于开环工作状态，其输出没有被送往执行器往执行器3）控制器的输入偏差信号长期存在）控制器的输入偏差信号长期存在昆明理工大学6 6 前馈前馈控制控制系统系统昆明理工大学一、前馈控制原理一、前馈控制原理一、前馈控制原理一、前馈控制原理 反馈控制始终根据被控变量与设定值的偏差反馈控制始终根据被控变量与设定值的偏差进行控制，即只有当被控变量发生进行控制，即只有当被控变量发生变化后

11、变化后（受（受到扰动或设定值的影响），才进行调节，因此到扰动或设定值的影响），才进行调节，因此控制作用总是控制作用总是滞后滞后于扰动对控制系统的影响。于扰动对控制系统的影响。 反馈控制系统是反馈控制系统是闭闭环控制环控制昆明理工大学一、前馈控制原理一、前馈控制原理一、前馈控制原理一、前馈控制原理 前馈控制是一种前馈控制是一种开开环控制，基于前苏联学者环控制，基于前苏联学者提出的不变性原理的基础而发展的。提出的不变性原理的基础而发展的。 前馈控制根据扰动或设定值的变化补偿原理前馈控制根据扰动或设定值的变化补偿原理而工作的，其特点是当扰动产生后，被控变量而工作的，其特点是当扰动产生后，被控变量还没

12、有变化以前，根据扰动作用的大小进行控还没有变化以前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。 前馈控制应用得当，可以使被控变量不会因前馈控制应用得当，可以使被控变量不会因为设定值或扰动变化而产生偏差，比反馈控制为设定值或扰动变化而产生偏差，比反馈控制及时，不受系统滞后影响。及时，不受系统滞后影响。 昆明理工大学一、前馈控制原理一、前馈控制原理二、前馈控制与反馈控制比较二、前馈控制与反馈控制比较 1、前馈是开环，反馈是闭环控制、前馈是开环，反馈是闭环控制 在在8-30（a）中，在闭环上任意一点，沿信）中，在闭环上任意一点，沿信号线出发，可以

13、回到出发点形成闭合环路，称号线出发，可以回到出发点形成闭合环路，称为闭环控制系统。为闭环控制系统。 而在图（而在图（b）中，在环路上的任意一点，沿）中，在环路上的任意一点，沿信号线方向前进，不能回到出发点，不能形成信号线方向前进，不能回到出发点，不能形成闭环环路，因此是开环控制。闭环环路，因此是开环控制。 昆明理工大学二、前馈控制与反馈控制比较二、前馈控制与反馈控制比较二、前馈控制与反馈控制比较二、前馈控制与反馈控制比较图图8-30 两种加热炉温度控制系统方框图两种加热炉温度控制系统方框图昆明理工大学一、前馈控制原理一、前馈控制原理二、前馈控制与反馈控制比较二、前馈控制与反馈控制比较 2、前馈

14、及时，反馈控制滞后、前馈及时，反馈控制滞后 前馈控制根据扰动来控制，所以控制及前馈控制根据扰动来控制，所以控制及时，而反馈控制根据偏差来控制，即扰动时，而反馈控制根据偏差来控制，即扰动作用于对象并使被控变量产生偏差后才进作用于对象并使被控变量产生偏差后才进行控制，因此控制不及时，有滞后。行控制，因此控制不及时，有滞后。昆明理工大学二、前馈控制与反馈控制比较二、前馈控制与反馈控制比较二、前馈控制与反馈控制比较二、前馈控制与反馈控制比较图图8-29 两种加热炉温度控制系统两种加热炉温度控制系统昆明理工大学一、前馈控制原理一、前馈控制原理二、前馈控制与反馈控制比较二、前馈控制与反馈控制比较3、前馈只

15、能克服所测量扰动，反馈可以克服所、前馈只能克服所测量扰动，反馈可以克服所有扰动有扰动能进行前馈控制的前提是扰动可以测量，能进行前馈控制的前提是扰动可以测量，如果扰动不能测量，则无法实施前馈控制如果扰动不能测量，则无法实施前馈控制;而反而反馈控制系统中，任何作用于对象的扰动如果导馈控制系统中，任何作用于对象的扰动如果导致被控变量偏离设定值，控制系统都会进行克致被控变量偏离设定值，控制系统都会进行克服，并且不需要对任何扰动进行测量。服，并且不需要对任何扰动进行测量。 昆明理工大学一、前馈控制原理一、前馈控制原理三、前馈控制的应用三、前馈控制的应用1、静态前馈、静态前馈 静态前馈是在扰动作用下，前馈

16、补偿作用只静态前馈是在扰动作用下，前馈补偿作用只能最终使被控变量回到要求的设定值，而不考能最终使被控变量回到要求的设定值，而不考虑补偿过程中的偏差大小。在有条件的情况下，虑补偿过程中的偏差大小。在有条件的情况下，可以通过物料平衡与能量平衡关系求得采用多可以通过物料平衡与能量平衡关系求得采用多大的校正作用。大的校正作用。昆明理工大学一、前馈控制原理一、前馈控制原理三、前馈控制的应用三、前馈控制的应用 前馈控制器FdC的输入信号与输出信号只要保持比例关系即可。设原油流量的扰动量为F，前馈控制的输出信号为P，则有： P= KdF 式中Kd为前馈控制器的前馈系数。静态前馈是应用最多的前馈控制，因为这种

17、前馈实现方便，用比值器或比例控制器均可实现。 实际应用中为了收到更好的控制效果，需要测量更多的扰动或参考量。昆明理工大学一、前馈控制原理一、前馈控制原理三、前馈控制的应用三、前馈控制的应用 在图8-29（b）的基础上，增加测量燃料量和进料原油的温度，可以构成如图8-31所示的、效果更好的静态前馈控制系统。 该系统实际上就是保持冷原油与燃料流量之间的比值关系，整个系统是一个单闭环比值控制系统，由于系统的被控制变量是T，因此整个系统是开环开环的静态前馈控制系统。昆明理工大学三、前馈控制的应用三、前馈控制的应用三、前馈控制应用三、前馈控制应用图图8-31 加热炉静态前馈控制系统加热炉静态前馈控制系统

18、昆明理工大学一、前馈控制原理一、前馈控制原理三、前馈控制的应用三、前馈控制的应用2、动态前馈、动态前馈 动态前馈控制系统力求在任何时刻实现对扰动态前馈控制系统力求在任何时刻实现对扰动影响的补偿，以使被控变量完全或基本上保动影响的补偿，以使被控变量完全或基本上保持不变。持不变。 在实际应用中，经常采用一个带有三个可调在实际应用中，经常采用一个带有三个可调参数的参数的“前馈控制器前馈控制器”，其传递函数为：，其传递函数为：其中，其中，Kd，T1、T2是时间常数，这样的动态前是时间常数，这样的动态前馈控制器可以起到一定的动态前馈效果。馈控制器可以起到一定的动态前馈效果。11)(21sTsTKsGdd

19、昆明理工大学一、前馈控制原理一、前馈控制原理三、前馈控制的应用三、前馈控制的应用3、前馈-反馈控制 前馈控制系统可以做到无偏差控制，但实际上，由于过程模型的时变、非线性以及扰动的不可完全预见特性，前馈控制只能在一定程度上克服主要扰动的影响，即前馈控制是有偏差的。因此，要将前馈控制与反馈控制结合起来，构成前馈-反馈控制系统，前馈控制不能克服的扰动由反馈控制来克服。这样即使在较大扰动作用下，仍然可以获得很好的控制品质。 昆明理工大学一、前馈控制原理一、前馈控制原理三、前馈控制的应用三、前馈控制的应用 在图8-28基础，增加对原油出口温度的反馈控制，形成了如图8-32所示的前馈-反馈控制系统，其方框

20、图如图8-33所示。 在图13-31的基础上，增加对原油出口温度的反馈控制，形成了如图13-34所示的前馈-（串级）反馈控制系统，图13-35是它的方框图。 昆明理工大学三、前馈控制的应用三、前馈控制的应用三、前馈控制应用三、前馈控制应用图图8-32 前馈前馈-反馈温度控制系统反馈温度控制系统昆明理工大学三、前馈控制的应用三、前馈控制的应用三、前馈控制应用三、前馈控制应用图图8-33 前馈前馈-反馈温度控制系统方框图反馈温度控制系统方框图昆明理工大学三、前馈控制的应用三、前馈控制的应用三、前馈控制应用三、前馈控制应用图图8-34 前馈前馈-（串级）反馈控制系统（串级）反馈控制系统昆明理工大学三

21、、前馈控制的应用三、前馈控制的应用三、前馈控制应用三、前馈控制应用图图13-34 前馈前馈-（串级）反馈控制系统方框图（串级）反馈控制系统方框图昆明理工大学三、前馈控制的应用三、前馈控制的应用三、前馈控制的应用三、前馈控制的应用4、前馈控制的应用场合 前馈控制是根据扰动作用的大小进行控制的，它主要用于克服控制系统中对象滞后大、由扰动而造成的被控变量偏差消除时间长、系统不易稳定、控制品质差等弱点，因此采用前馈控制的条件是：（1）扰动可测但不可控；（2） 变化频繁且变化幅度大的扰动；（3）扰动对被控变量影响显著，反馈控制难以克服，且过程对控制精度要求较高场合。 昆明理工大学三、前馈控制的应用三、前

22、馈控制的应用三、前馈控制的应用三、前馈控制的应用 在静态还是动态前馈的选择上，当控制通道与扰动通道的动态性能相近时，一般采用静态前馈就可以取得较好的效果；当控制通道的时间常数与扰动通道的时间常数相对较大时，可选择动态前馈。 昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统控制系统不仅要保证系统稳定和生产安全，控制系统不仅要保证系统稳定和生产安全，还要在满足一定还要在满足一定约束条件下，带来一定的经下，带来一定的经济效益和社会效益，然而对于复杂工业工程济效益和社会效益，然而对于复杂工业工程设计这样的设计这样的控制系统比较困难，因为复杂工比较困难，因为复杂工

23、业工程具有复杂特性，表现在：业工程具有复杂特性，表现在： 不确定性（时变、随机性、突发性）不确定性（时变、随机性、突发性） 非线性非线性 变量间的关联变量间的关联 信息不全面信息不全面 大纯滞后大纯滞后昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统 对于复杂过程的设计，已经不能采用单对于复杂过程的设计，已经不能采用单一的基于定量数学模型的传统控制理论和控一的基于定量数学模型的传统控制理论和控制技术，必须开发研究制技术，必须开发研究先进的过程控制的过程控制技术，而目前石化企业普遍采用的而目前石化企业普遍采用的DCS等先进控制等先进控制方式也为实施先进控制提供了很好的方式也为实施先进控制提供了很好的

24、基础，也只有在也只有在DCS等先进控制平台上开发应用各等先进控制平台上开发应用各种先进控制方案，才能充分挖掘种先进控制方案，才能充分挖掘DCS系统的系统的潜能，为企业带来明显的经济效益。潜能，为企业带来明显的经济效益。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统 通过加强对通过加强对过程建模理论、辨识技术、技术、优化控制、高等过程控制等方面的研究；吸控制、高等过程控制等方面的研究；吸收收相关学科的理论和工具，已经产生了较多，已经产生了较多的先进控制技术，如：的先进控制技术，如： 自适应控制自适应控制 预测控制预测控制 鲁棒控制鲁棒控制 智能控制（智能控制（专家系统，模糊控制，神经网络及它们的结

25、合）昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统先进控制系统本节主要向大家介绍几种先进控制方法的基本本节主要向大家介绍几种先进控制方法的基本原理，开阔视野，包括：原理，开阔视野，包括： 基于模型的预测控制基于模型的预测控制 软测量技术软测量技术 自适应控制自适应控制 智能控制智能控制昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统一、基于模型的预测控制 由于很难获得复杂工业过程的精确数学由于很难获得复杂工业过程的精确数学模型，因此以模型为基础的现代控制理论在模型，因此以模型为基础的现代控制理论在过程控制中遇到了挑战，而预测控制对模型过程控制中遇到了挑战，而预测控制对模型的要求很低，它的要求很低，它

26、产生于工业界并在复杂过程并在复杂过程控制中取得了显著的成功。控制中取得了显著的成功。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统一、基于模型的预测控制 预测控制的基本出发点与传统的预测控制的基本出发点与传统的PID控制控制不同。通常的不同。通常的PID控制是根据过程当前和过控制是根据过程当前和过去的输出测量值和设定值的偏差来确定当前去的输出测量值和设定值的偏差来确定当前的控制输入；的控制输入； 而预测控制不但利用当前和过去的偏差而预测控制不但利用当前和过去的偏差值，而且还利用预测模型来估计过程未来的值，而且还利用预测模型来估计过程未来的偏差，以滚动优化确定当前的最优输入策略。偏差，以滚动优化确

27、定当前的最优输入策略。因此，从基本思想看，预测控制优于因此，从基本思想看，预测控制优于PID控控制。制。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统一、基于模型的预测控制 1、预测控制的基本原理、预测控制的基本原理各类预测控制算法都有一些共同的特点，即预测模型、各类预测控制算法都有一些共同的特点，即预测模型、反馈校正、滚动优化反馈校正、滚动优化图图13-36 预测控制基本结构预测控制基本结构昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统一、基于模型的预测控制（1）、预测模型）、预测模型 预测控制需要一个描述系统动态行为的模预测控制需要一个描述系统动态行为的模型，它具有预测功能，即根据系统现在时刻

28、型，它具有预测功能，即根据系统现在时刻的控制输入以及过程的历史信息，预测过程的控制输入以及过程的历史信息，预测过程输出的未来值。预测模型具有展示过程未来输出的未来值。预测模型具有展示过程未来行为的功能，因此可以像在系统仿真时那样，行为的功能，因此可以像在系统仿真时那样，任意的给出未来控制策略，观察过程不同控任意的给出未来控制策略，观察过程不同控制策略下的输出变化，从而为比较这些控制制策略下的输出变化，从而为比较这些控制策略的优劣提供了基础。策略的优劣提供了基础。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统一、基于模型的预测控制 常见的预测模型有：常见的预测模型有： 脉冲响应模型（脉冲响应模型（

29、MAC） 阶跃响应模型（阶跃响应模型（DMC） 非参数模型非参数模型 传递函数模型传递函数模型 昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统一、基于模型的预测控制（2）、反馈校正）、反馈校正在预测控制中，采用预测模型进行过程输出值在预测控制中，采用预测模型进行过程输出值的预测会与实际值产生偏差（过程存在非线性、时的预测会与实际值产生偏差（过程存在非线性、时变、模型失配等），因此要利用测量值与模型的预变、模型失配等），因此要利用测量值与模型的预估值的偏差来校正模型的预测值，从而得到更为准估值的偏差来校正模型的预测值，从而得到更为准确的将来输出的预测值。正是这种模型加反馈校正确的将来输出的预测值。

30、正是这种模型加反馈校正的过程，使得预测控制有很强的抗干扰和克服系统的过程，使得预测控制有很强的抗干扰和克服系统不确定性的能力。因此，预测控制不仅基于模型，不确定性的能力。因此，预测控制不仅基于模型，而且利用了反馈信息，因此预测控制是一种而且利用了反馈信息，因此预测控制是一种闭环优化控制算法。控制算法。 昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统一、基于模型的预测控制（3）、滚动优化）、滚动优化 通过某一性能指标的最优化来确定未来通过某一性能指标的最优化来确定未来的控制作用，而且该性能指标还涉及到过程的控制作用，而且该性能指标还涉及到过程未来的行为，它是根据预测模型由未来的控未来的行为，它是根

31、据预测模型由未来的控制策略决定的。制策略决定的。 预测控制的优化不是采用不变的全局最预测控制的优化不是采用不变的全局最优目标，而是采用滚动式的有限时域优化策优目标，而是采用滚动式的有限时域优化策略，过程优化不是一次离线完成，而是反复略，过程优化不是一次离线完成，而是反复在线进行的。在线进行的。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统一、基于模型的预测控制 （4）参考轨迹）参考轨迹在预测控制中，考虑到过程的动态特性，在预测控制中，考虑到过程的动态特性，为了使过程避免出现输入和输出的急剧变化，为了使过程避免出现输入和输出的急剧变化，往往要求过程输出沿着一条所期望的、平缓往往要求过程输出沿着一条

32、所期望的、平缓的曲线达到设定值。这条曲线通常称为参考的曲线达到设定值。这条曲线通常称为参考轨迹。它是设定值经过在线轨迹。它是设定值经过在线“柔化柔化”后的产后的产物。最广泛采用的参考轨迹为一阶指数变化物。最广泛采用的参考轨迹为一阶指数变化形式。形式。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统一、基于模型的预测控制2、预测控制的优良性能、预测控制的优良性能 对数学模型要求不高，而且模型可以是多样化的。 能直接处理具有纯滞后的过程。 具有良好的跟踪性能和较强的抗干扰能力。 对模型的误差有较强的鲁棒性。 上述特点是PID控制或现代控制理论无法相比的，因此预测控制在实际供应应用中得到广泛重视和成功应

33、用。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统二、软测量技术质量控制是一切生产的核心，因此必质量控制是一切生产的核心，因此必须对与产品质量直接相关的变量进行控须对与产品质量直接相关的变量进行控制，但是存在如下问题：制，但是存在如下问题： 在线仪表价格昂贵，维护复杂，有滞后 许多重要的质量指标无法在线测量 通常的方案就是控制与直接质量指标关系密切的可测变量，如反应器的温度，精馏塔塔顶温度等。但这种关系是变化这种关系是变化的。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统二、软测量技术软测量的基本思想是把自动控制理论与过软测量的基本思想是把自动控制理论与过程知识有机结合起来，应用计算机技术，对程知

34、识有机结合起来，应用计算机技术，对于难于测量的重要变量（主导变量），选择于难于测量的重要变量（主导变量），选择另外一些容易测量的变量（辅助变量），通另外一些容易测量的变量（辅助变量），通过构成某种数学关系来推导和估计，以代替过构成某种数学关系来推导和估计，以代替硬件测量分析仪表的功能。这类方法具有响硬件测量分析仪表的功能。这类方法具有响应迅速、连续给出主导变量、投资低等特点。应迅速、连续给出主导变量、投资低等特点。软测量结构如图软测量结构如图13-37所示。所示。 软测量技术包括软测量技术包括辅助变量的选择、数据采集和处理、软测量建模和和在线校正等。等。昆明理工大学7 先进控制系统先进控制系统

35、二、软测量技术二、软测量技术二、软测量技术图图13-37 软测量结构图软测量结构图昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统二、软测量技术1、机理分析和辅助变量选择、机理分析和辅助变量选择 首先确定主导变量，然后深入分析过程首先确定主导变量，然后深入分析过程机理和了解生产装置的特点，确定与主导变机理和了解生产装置的特点，确定与主导变量相关的辅助变量的类型、数目和检测点的量相关的辅助变量的类型、数目和检测点的位置。位置。 辅助变量的选择应符合关联性、特异性、辅助变量的选择应符合关联性、特异性、过程适用性、精确性等原则。辅助变量数目过程适用性、精确性等原则。辅助变量数目不是越多越好。不是越多越好

36、。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统二、软测量技术2、数据的采集和处理、数据的采集和处理过程数据包含大量的对性特性信息，因此过程数据包含大量的对性特性信息，因此过程数据多多益善，不仅可以用于建模，而过程数据多多益善，不仅可以用于建模，而且还可以用于模型验证。过程数据能够充分且还可以用于模型验证。过程数据能够充分反映过程特性。反映过程特性。 为了保证软测量模型的精度，数据正确和为了保证软测量模型的精度，数据正确和可靠性十分重要，因此要对数据进行可靠性十分重要，因此要对数据进行预处理。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统二、软测量技术3、软测量模型的建立、软测量模型的建立软测量建

37、模属于过程建模范畴，因此过程软测量建模属于过程建模范畴，因此过程建模的方法可以用于软测量建模。常用的软建模的方法可以用于软测量建模。常用的软测量建模方法：测量建模方法： （1）机理建模）机理建模 从过程内在机理出发，通过物料平衡、从过程内在机理出发，通过物料平衡、能量平衡和动量平衡建立数学模型。能量平衡和动量平衡建立数学模型。 机理建模可以充分利用先验知识，模机理建模可以充分利用先验知识，模型推广性能好，但复杂过程较难机理建模，型推广性能好，但复杂过程较难机理建模，而且模型会比较复杂。而且模型会比较复杂。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统二、软测量技术 （2）“黑箱黑箱”建模建模根据

38、过程输入和输出历史数据来根据过程输入和输出历史数据来建立软测量模型。常用方法有：建立软测量模型。常用方法有： 回归分析 神经网络 核函数方法昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统二、软测量技术 （3）机理建模和）机理建模和“黑箱黑箱”建模相结合建模相结合不论机理建模还是不论机理建模还是“黑箱建模黑箱建模”都存都存在一定的困难，因此将这两种方法结合，在一定的困难，因此将这两种方法结合，可以取长补短，使得软测量建模的性能可以取长补短，使得软测量建模的性能得到提高。得到提高。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统二、软测量技术 4、模型校正、模型校正软测量对象存在时变、非线性和不确定性，

39、软测量对象存在时变、非线性和不确定性，因此必须对软测量模型进行校正，以适应新因此必须对软测量模型进行校正，以适应新的工况。模型校正可以分为的工况。模型校正可以分为模型结构校正及校正及模型参数校正。校正。2210 xaxaay昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统三、自适应控制 自适应控制建立在系统的数学模型参数未知的自适应控制建立在系统的数学模型参数未知的基础上，而且随着系统行为的变化而变化，自适应基础上，而且随着系统行为的变化而变化，自适应控制也会相应地改变控制器的参数，以适应其特性控制也会相应地改变控制器的参数，以适应其特性的变化，保证整个系统的性能指标达到令人满意的的变化，保证整个

40、系统的性能指标达到令人满意的结果。结果。自适应控制系统是具有适应能力的系统，它必自适应控制系统是具有适应能力的系统，它必须能够辨识过程参数与环境条件变化，在此基础上须能够辨识过程参数与环境条件变化，在此基础上校正控制规律。自适应控制系统至少包括三部分：校正控制规律。自适应控制系统至少包括三部分：昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统三、自适应控制 （1）具有一个测量或估计环节，能对过程和环境）具有一个测量或估计环节，能对过程和环境进行监视，并有对测量数据进行分类以及消除数据进行监视，并有对测量数据进行分类以及消除数据中的噪声的能力。通常体现为：对过程的输入输出中的噪声的能力。通常体现为：

41、对过程的输入输出进行测量，然后进行某些参数的实时估计。进行测量，然后进行某些参数的实时估计。（2）具有衡量系统性能好坏的性能指标，并且能）具有衡量系统性能好坏的性能指标，并且能够测量或计算性能指标，判断系统是否偏离最优状够测量或计算性能指标，判断系统是否偏离最优状态。态。（3）具有自动调整控制器规律或参数能力。）具有自动调整控制器规律或参数能力。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统三、自适应控制 自适应控制是系统辨识与控制技术的结合，自适应自适应控制是系统辨识与控制技术的结合，自适应控制系统的一般框图如图控制系统的一般框图如图9-38所示所示昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统

42、三、自适应控制 1、简单自适应控制简单自适应控制系统对环境或过程参数的变化用一些简单的方法辨识，控制算法也简单。自自20世纪世纪70年代以来，自整定控制器发展迅速。年代以来，自整定控制器发展迅速。如利用专家规则进行如利用专家规则进行PID参数的自整定。这类产品参数的自整定。这类产品包括：包括： TDC3000中采用临界比例度法进行的自整定控制器中采用临界比例度法进行的自整定控制器 FOXBORO基于特性曲线识别方法的自整定控制器基于特性曲线识别方法的自整定控制器昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统三、自适应控制 2、模型参考自适应控制这类系统主要用于随动系统，人们期望随这类系统主要用于

43、随动系统，人们期望随动控制系统的过渡过程符合一种理想模式。动控制系统的过渡过程符合一种理想模式。典型的模型参考自适应控制系统是参考模型典型的模型参考自适应控制系统是参考模型和被控系统并行运行，如图和被控系统并行运行，如图9-39所示。所示。参考模型体现了控制系统的性能要求。参考模型体现了控制系统的性能要求。昆明理工大学7 先进控制系统先进控制系统三、自适应控制三、自适应控制昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统三、自适应控制 3、自校正控制系统自校正控制系统是典型的辨识与控制的结合体。辨识部分可采用最小二乘等方法，依据过程的输入、输出，得到过程的模型参数。在控制部分采用最小方差控制，目标

44、是求u使得 达到最小。自校正控制系统也有两个回来组成。内回路包括过程和普通线性反馈控制器。外回路用来调整控制器参数，它由递推参数估计器和控制器参数调整机构组成。)1(2kyEJ昆明理工大学7 先进控制系统先进控制系统三、自适应控制三、自适应控制自校正控制系统自校正控制系统昆明理工大学7 先进控制系统先进控制系统三、自适应控制三、自适应控制昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统四、智能控制 智能控制智能控制（Intelligent Control）是）是20世纪世纪80年代年代以来受到极大关注的一个领域，甚至被认为是经典以来受到极大关注的一个领域，甚至被认为是经典控制、现代控制理论后的新一

45、代控制理论。控制、现代控制理论后的新一代控制理论。智能控制时人工智能与自动控制结合的产物。而智能控制时人工智能与自动控制结合的产物。而人工智能的内容及其广泛，如知识表示、文体求解、人工智能的内容及其广泛，如知识表示、文体求解、机器学习、模式识别、机器人等。当前用于控制的机器学习、模式识别、机器人等。当前用于控制的主要内容是专家系统、模糊控制及人工神经网络。主要内容是专家系统、模糊控制及人工神经网络。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统四、智能控制 1、专家系统专家系统（Expert System）是指一个智能计算机程序系统，其内容含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家

46、的知识和解决问题的经验来处理该领域的难题。专家系统的基本功能取决于它所含有的知识，因此，专家系统也称为基于知识的系统。专家系统的结构如图9-41所示，包括：昆明理工大学7 先进控制系统先进控制系统四、智能控制四、智能控制昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统四、智能控制 （1）人机接口利用人机接口，专家可以将自己的新知识、利用人机接口，专家可以将自己的新知识、新经验加入到知识库，也可以方便地对知识库新经验加入到知识库，也可以方便地对知识库中的规则进行修改，操作人员可以在操作中随中的规则进行修改，操作人员可以在操作中随时得到专家系统的帮助，了解系统，并应用系时得到专家系统的帮助，了解系统，

47、并应用系统，像专家一样解决问题。统，像专家一样解决问题。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统四、智能控制 （2）知识库用以存储某个领域的专家知识，包括理论知识和用以存储某个领域的专家知识，包括理论知识和经验知识。专家系统的性能在很大程度上取决于知经验知识。专家系统的性能在很大程度上取决于知识库中知识的完备性和知识表示的正确性、一致性识库中知识的完备性和知识表示的正确性、一致性和独立性。常用的知识表示方法有：逻辑因果图；和独立性。常用的知识表示方法有：逻辑因果图；产生式规则；语义网络；框架理论和概念从属等。产生式规则；语义网络；框架理论和概念从属等。产生式规则是利用得最多的，其一般形式是

48、产生式规则是利用得最多的，其一般形式是IF（前提）（前提）THEN（动作），将规则与数据库中的数据（动作），将规则与数据库中的数据相匹配，一旦成功，就执行相应的动作或得出结论。相匹配，一旦成功，就执行相应的动作或得出结论。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统四、智能控制 （3）知识获取要保证知识库能对应用对象所有要保证知识库能对应用对象所有状态的描的描述具有完备性和正确性，往往要求新知识的获述具有完备性和正确性，往往要求新知识的获取。取。一方面将专家的知识和经验进行描述并写将专家的知识和经验进行描述并写入，入，另一方面是进行机器自学习，增加新知识。是进行机器自学习，增加新知识。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统四、智能控制 （4）数据库用以存储表征应用对象的特性数据、状态用以存储表征应用对象的特性数据、状态数据、求解目标和中间状态数据等，供推理机数据、求解目标和中间状态数据等，供推理机和解释机构使用。和解释机构使用。昆明理工大学7 7 先进先进控制控制系统系统四、智能控制 （5）解释机构用以检验和解释知识库中相应规则的用以检验和解释知识库中相应规则的条件部分，即用推理得到的中间结果对规则的条件，即用推理得到的中间结果对规则的条件部分中的变量加以约束，并将该规则所预言的部分中的变量加以约束，并将该规则所预言的变化返回