复杂过程控制系统

1、第八章 复杂过程控制系统第八章 复杂过程控制系统熟悉自适应控制系统的工作原理与性能特点 了解解耦控制系统的设计方法了解专家系统的原理和设计方法对于这类生产过程，采用之前介绍的常规控制方案往往不能获得令人满意的控制效果，甚至还可能导致整个系统失控。一、自适应控制系统前面介绍过的控制系统，均指控制器有固定参数的系统。实际上，复杂的工艺过程往往具有不确定性（如环境结构和参数的未知性、时变性、随机性、突变性等）。为了解决在被控对象的结构和参数存在不确定性时，系统仍能自动地工作于最优或接近于最优的状态，就提出了自适应控制，它是辨识技术与控制技术的结合。三是具有自动调整控制器的控制规律或参数的能力。自适应

2、控制是建立在系统数学模型参数未知的基础上，在控制系统运行过程中，系统本身不断测量被控系统的参数或运行指标，根据参数或运行指标的变化，改变控制参数或控制作用，以适应其特性的变化，保证整个系统运行在最佳状态下。一个自适应控制系统至少应包含有以下三个部分：一是具有一个检测或估计环节，目的是监视整个过程和环境，并能对消除噪声后的检测数据进行分类。通常是指对过程的输入、输出进行测量，进而对某些参数进行实时估计。二是具有衡量系统控制优劣的性能指标，并能够测量或计算它们，以此来判断系统是否偏离最优状态。根据其设计原理和结构的不同，主要包括：增益调度自适应控制;模型参考自适应控制系统;自校正控制系统等。关键是

3、找出影响被控对象参数变化的辅助变量，并设计好辅助变量与最佳控制器增益的函数关系，让控制器的参数按预编程的方式作为运行条件的函数而改变。 1增益调度自适应控制这是一种最为简单的自适应控制系统，主要通过监测过程的运行条件来改变控制器的参数，以此补偿系统受环境等条件变化而造成对象参数变化的影响，故称为增益调度自适应控制。增益调度自适应控制，其结构简单，具有快速的适应能力.不足的是其参数补偿按开环工作方式进行，对不正确的调度没有反馈补偿功能，在设计时需具备较多的过程机理知识。 模型参考自适应控制系统主要用于随动控制。这类控制的典型特征是参考模型与被控系统并联运行，参考模型表示了控制系统的性能要求。 2

4、模型参考自适应控制系统 这种方法的应用关键是，如何将一个实际问题转化为模型参考自适应问题。 在模型参考自适应控制系统中，不需要专门的在线辨识装置，主要是借助于目标函数来调整可调参数，其实质是设计一个稳定的，同时具有较高性能的自适应机构的自适应算法。自校正控制系统是自适应控制中一个相当活跃的分支。对象的输入信号x和输出信号y送入参数估计器，在线识别出其数学模型，参数调整机构根据辨识结果设计计算自校正控制规律和修改控制器参数，在对象参数受到干扰而发生变化时，控制系统性能仍保持或接近最优状态，这种系统应用较广泛。 自校正控制系统是在原有控制系统的基础上，增加了一个外回路。外回路由参数估计器和参数调整

5、机构组成，用来调整控制器的参数。内回路包括过程和普通线性反馈控制器。 目前的现场实际中，生产装置往往不再是单一的回路控制，通常都需要设置若干个控制回路，才能对生产过程中的多个被控变量进行准确、稳定地控制。由于回路个数的增多，各控制回路之间就有可能存在某种程度的相互关联和影响，从而构成多输入多输出（MIMO）的耦合控制系统。 二、解耦控制系统1系统的关联 该系统中被控变量有两个，分别是塔顶温度T1 和塔底温度T2；操作变量也有两个，即加热蒸汽流量Q2和回流Q3。 T1C为塔顶温度控制器，其输出P1控制回流控制阀，控制塔顶的回流量，实现对塔顶温度T1的控制。 T2C为塔底温度控制器，其输出P2控制

6、再沸器加热蒸汽控制阀，控制加热蒸汽流量Q2，实现对塔底温度T2的控制。 耦合现象的产生。当塔顶温度T1稳定在给定值T1o上，如果某种干扰使塔底温度T2偏离给定值T2o，假设降低，那么T2C的输出P2必将发生变化，其结果是蒸汽控制阀开大，但是Q2的增加，又会导致T1升高。同理，当T1偏离T1o时，也会带动T2偏离其给定值T2o。这是两个变量相互耦合的情况，如果这种耦合严重，将影响到系统的正常运行。相对增益便是用来衡量一个选定的操纵变量与其配对的被控变量间相互影响的尺度。2相对增益在多变量过程控制系统中，虽然变量间互相关联，然而总有一个操纵变量对某一被控变量的影响是最基本的，对其他被控变量的影响是

7、次要的，这就是操纵变量与被控变量间的搭配关系，也就是常说的变量配对。它是相对于系统中其他操纵变量对该被控变量的影响来说的，又称其为相对放大倍数。 如果上述两种情况下所求的开环增益没有变化，就表明该通道与其他通道间不存在耦合。 然后在所有其他回路都闭环的情况下，再找出该通道的开环增益。这两种情况下的开环增益之比就定义为该通道的相对增益。 当两种情况下所求的开环增益不相同时，则说明了各通道间有耦合。从上述的定性分析可以看出，相对增益的值反映了某个控制通道作用的强弱和其他通道对它的耦合的强弱，因此，可作为选择控制通道和选择解耦措施的依据。 假设某一变量配对下的其他所有回路均为开环，找出该通道的开环增

8、益；1）选择正确的变量配对3减少与消除耦合的途径2）调整控制器参数3）减少控制回路4）串接解耦装置三、专家系统1专家系统的基本构成 专家系统是一种基于知识的系统，其内部存有大量关于某一领域的专家水平的知识和经验，具有解决专门问题的能力。 专家系统的主要功能取决于大量的知识以及合理、完备的智能推理机构。 知识库可看作是一个存储器，它主要由规则库和数据库两部分构成。 规则库存储着作为专家经验的判断性知识，用于问题的推理和求解； 数据库用于存储问题的状态、特性以及当前的条件等，供推理和解释机构使用。知识库通过“知识获取”机构与领域专家相联系，形成了专家系统与领域专家的人机接口。知识获取的过程，即实现

9、了知识库的修正更新，知识条目的测试、精炼等。2专家系统的特点 专家系统通过移植到计算机内的相应知识，模拟人类专家的推理决策过程。这一人工智能处理方法与常规的软件程序相比，具有如下的显著特征：1）专家系统是一种知识信息处理系统。 2）专家系统具有高度灵活的问题求解能力。 3）专家系统具有启发性和透明性。 四、模糊控制系统 模糊控制的思想是将操作人员长期的实践经验加以总结和描述，得到一种定性的控制规则，基于这些规则再进行模糊推理，从而得到控制输出。 由于对一个模糊控制来说，输入和输出都是精确的数值，而模糊控制原理是采用人的思维，也就是按语言规则进行推理，因此必须将输入数据变换成语言值，这个过程称为精确量的模糊化，然后进行推理及控制规则的形成，最后将推