过程控制第三章 先进控制系统

1、过程控制课件第三章 先进控制系统第1页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四第2页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四第3页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四第一节 状态反馈控制 在有些系统中，状态变量是可以直接测量的，例如图示系统中，操纵变量是液体流入量q，而h1、h2和h3这三个液位信号都可作为状态变量，系统方程是第4页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四qh1 Qoh2h3R3C3C2R2R1C1第5页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四写成这样的标准形式A=设h3作为输出变量y，则在yC

2、x式中第6页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四 为了控制最下面一个贮槽的液位h3，可以有各种方法：取y3为被控变量，q为操纵变量，构成简单控制系统。这个系统是三阶的，过程滞后较大。取y3为主被控变量，y2或（及）y1为副被控变量，构成液位液位串级控制系统。在简单控制系统的基础上，在控制器输出端加上来自h1和h2的辅助变量信号。这种引入辅助变量的系统，能与串级控制系统一样及早地发现某些扰动的影响，并使过渡过程的动态指标有所改进。第7页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四 与第（3）种方法相似，我们可以直接取状态变量进行反馈，即取 式中的K为反馈矩阵，设令

3、x为n维，u为m维，则K是一个多维矩阵，第8页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四其元素kij一般为系数，必要时也可包括动态环节。如果某一状态变量x不好测得，或其他原因未进行反馈，则K矩阵中第j列的元素为零。状态反馈系统的框图见图 C K u x yx=Ax+Bu第9页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四设计状态反馈控制系统的关键是决定反馈向量K。通常有两种方法：（a）以实现线性二次型最优性能指标为目标求K。这一方法最终归结为Riccati方程的求解，称线性最优控制。（b）零极点配置方法。它是通过选取状态反馈阵K，使闭环系统的特征值满足给定的要求，从而实

4、现期望的闭环响应。第10页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四示例： 要求极点：-2 ,-1+j, -1-j设计状态反馈求k1,k2,k3= 第11页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四要求； 第12页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四第一节 状态反馈控制 一、状态反馈和极点控制1.控制系统的描述 状态空间表达式 传递函数矩阵 输入输出差分方程2.状态反馈和输出反馈3.极点配置4.状态反馈矩阵K的计算 Ackermann公式直接计算状态反馈矩阵 控制器规范型系统状态反馈矩阵K的计算二、状态反馈控制系统设计和工程应用中的问题1.消除控

5、制系统的余差2.状态变量的获取3.闭环极点的确定第13页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四第二节 预测控制一、预测控制的基本特征1.基本概念2.预测控制的基本算法 预测模型 反馈校正 滚动优化 参考轨线二、预测控制系统实施时应注意的问题1.稳态余差2.参数选择3.具有时滞或反向特性系统的预测控制4.反馈校正和过程病态的消除5.约束的表示6.输入输出轨迹三、预测控制算法第14页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四第三节 解耦控制一、系统关联分析和相对增益1.多变量控制系统的关联2.相对增益阵列 两个增益 相对增益 相对增益的特点 多输入多输出系统的相对增

6、益阵列二、解耦控制的设计和工程应用中的问题1.解耦控制系统设计原则2.减少与解除耦合的途径3.串接解耦装置的设计4.工程应用中的有关问题 其他控制器的影响 动态耦合的影响 偏置值的设置和解耦装置的简化第15页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四第四节 软测量和推断控制一、软测量技术1.软测量技术概述2.回归法建模3.人工神经网络法建模4.模型的校正5.示例二、推断控制系统1.推断控制基本原理 信号分离 估计器E(s) 推断控制器2.推断反馈控制 主要被控变量y不可测时的推断反馈控制 主要被控变量y可测时的推断反馈控制第16页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，

7、星期四第五节 自适应控制和鲁棒控制一、自适应控制系统基本结构和类型1.自适应控制系统的基本结构2.自适应控制系统的基本类型3.过程辨识的实验方法二、简单自适应控制系统1.依据偏差自动调整控制器参数2.依据扰动自动调整控制器参数三、自整定控制器1.继电器型自整定控制器2.波形识别自整定控制器四、自校正控制器1.自校正控制器的基本结构2.最小方差控制器五、模型参考自适应控制系统1.模型参考自适应控制系统的基本结构2.参数最优化方法3.基于李亚普诺夫稳定性理论的方法六、鲁棒控制第17页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四第六节 时滞补偿控制一、Smith预估补偿控制1.Smith

8、 预估补偿控制原理2.实施Smith预估补偿控制时的注意事项3.内模控制二、其他时滞补偿控制系统1.增益自适应补偿控制2.观测补偿控制 观测器的基本原理 观测补偿控制系统的分析 实施时的注意事项3.预估校正控制系统 控制方案 性能分析 实施中的问题第18页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四第七节 智能控制一、智能控制概述二、专家系统1.专家系统概述2.知识表示3.推理机制三、模糊控制1.模糊理论基础 隶属函数和模糊集 模糊集运算2.模糊控制和模糊控制器的设计 模糊控制器基本结构 模糊控制知识表述 基本模糊控制器的设计 模糊控制器的分析四、神经网络控制1.人工神经元2.人工

9、神经网络3.人工神经网络在自动化中的应用第19页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四第八节 监督控制一、监督控制概述二、操作优化控制1.操作优化的过程变量确定 目标函数的确定 运行变量x的确定2.约束条件的确定3.优化算法的确定三、统计过程控制1.统计控制图2.主元分析和部分最小二乘 主元分析 部分最小二乘第20页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四第九节 故障检测诊断和容错控制一、故障检测诊断的基本概念1.基本概念2.故障检测和诊断的主要方法 基于动态数学模型的方法 基于知识的方法二、工况监测控制三、容错控制1.容错控制的意义2.几类利用冗余信息的容错

10、控制系统 不设置FDD装置的容错控制系统 基于故障检测和诊断的容错控制第21页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四第十节 综合自动化一、综合自动化的意义整个生产过程实质上是一个数据采集、传递和加工的过程最后形成的产品可以看作是数据的物质表现二、综合自动化系统的的特点递阶系统结构系统结构集成和信息集成控制和管理一体化三、现场总线和现场总线控制系统现场总线共有八类现场总线控制系统把控制功能彻底分散现场总线控制系统软件包括：现场总线组态软件、维护软件、仿真软件、现场设备管理软件等第22页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第23页，共100页，2022年，

11、5月20日，12点4分，星期四返回第24页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第25页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第26页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第27页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第28页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第29页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第30页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第31页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第32页，共100页，

12、2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第33页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第34页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回预测控制基本结构图第35页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第36页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第37页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第38页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回预测控制的优点第39页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第40页，共100页，2022年，5月20日，

13、12点4分，星期四返回第41页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四下一页第42页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四下一页上一页第43页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四上一页返回第44页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第45页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第46页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第47页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回下一页第48页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页下一页

14、第49页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页下一页示例第50页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第51页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页下一页示例第52页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第53页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页示例第54页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回程序第55页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第56页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第57页，

15、共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回下一页第58页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页下一页第59页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页下一页示例结论第60页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第61页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第62页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页第63页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回下一页第64页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页下一页第6

16、5页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页第66页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第67页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回示例第68页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第69页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第70页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回下一页第71页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页下一页第72页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页下一页第73页，共100页

17、，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页第74页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回下一页第75页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页下一页第76页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页下一页第77页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页第78页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回下一页第79页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回上一页第80页，共100页，2022年，5月20日，12点4分，星期四返回第81页，共100页，

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