第三章 先进控制系统
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
1 1 1
1
1C h q h
R??
2 2 1 2
12
11C h h h
RR??
3 3 2 3
23
11C h h h
RR??
q
h1
Qo
h2
h3 R3
C3
C2
R2
R1
C1
? 写成这样的标准形式
1
2
3
h
h
h
??
???
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x
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3332
2221
11
11
0
0
11
00
1
CRCR
CRCR
CR
1
0
0
??
???
??
????
B
A=
q?u
设 h3作为输出变量 y,
则在 y＝ Cx式中
3yh? ? ?
0 0 1?C
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。
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 x为 n维,u为 m
维，则 K是一个多维矩阵,
u = K x
11 1
1
n
m m n
kk
kk
??
??
?
??
????
K
? 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 y
x=Ax+Bu
? 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，从而实现
期望的闭环响应。
? 示例,
? 要求极点,-2,-1+j,-1-j
? 设计状态反馈求 k1,k2,k3
u
x
x
x
x
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1
0
0
320
100
010
3
2
1
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???
321
000
000
320
100
010
00
00
00
kkks
s
s
BKASI
=
12233 )2()3( ksksks ?????
? 要求 ；
464)1)(1)(2()( 23 ??????????? sssjsjsssp
41 ?k
42 ??k
13 ??k
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.消除控制系统的余差
2.状态变量的获取
3.闭环极点的确定
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
第六节 时滞补偿控制
一,Smith预估补偿控制
1.Smith 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.人工神经网络
3.人工神经网络在自动化中的应用
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
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预测控制基本结构图
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预测控制的优点
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参数估计
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