化学工业出版社
www.cip.com.cn
化工仪表及自动化第十四章 高级控制系统化学工业出版社
www.cip.com.cn内容提要
自适应控制系统
参考模型自适应控制系统
具有被控对象数学模型在线辨识的自适应控制系统
预测控制
智能控制系统
神经元网络控制
1
化学工业出版社
www.cip.com.cn内容提要
模糊控制系统
最优控制系统
控制管理一体化
2
化学工业出版社
www.cip.com.cn概述
新型控制系统的主要特征：
①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 ;
② 被控过程的数学模型难以精确获得或具有明显的时变性 ;
③ 控制算法丰富,不只局限于 PID形式,系统的目的不是简单地实现输出控制 ;
④ 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
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 自适应控制系统自适应控制 是针对不确定性的系统而提出的 。
分类 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
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 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
一、参考模型自适应控制系统该类自适应控制系统实际上是在原来的反馈控制基础上附加一个参考模型和一个控制器参数的自动调整回路 。
设计这类自适应控制系统的 关键问题 是如何综合自适应律 。 目前综合自适应律有两种方法,一种为参数最优化的综合方法；另一种是基于稳定理论的综合方法 。
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 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
通过在线辨识获取对象的数学模型,然后由控制器对系统进行控制。
被控过程控制器 辨识器
ω (K) υ (K)
c(K)r(K)
u(K) θ (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
化学工业出版社
www.cip.com.cn第二节 预测控制系统
7
预测控制系统 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
x
y
yy
u
u
○ +
+
-
图 14-3 预测控制系统化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 智能控制系统
8
智能控制系统 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 。
化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 智能控制系统专家系统的作用作为 理论研究 的工具推动了人工智能的发展；作为一种 实用工具 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主要取决于它所拥有知识的数量与质量 。
9
化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 智能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
化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 智能控制系统举例 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
化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 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 。
智能控制可以置于基层控制,优化控制,甚至经营管理的不同层次 。
12
化学工业出版社
www.cip.com.cn第四节 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 。
人工神经元网络 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 人工神经元模型化学工业出版社
www.cip.com.cn第四节 神经元网络控制
14
j
n
i
ijij
ji
xwS
sfy
1
输入 xi与输出 y的关系人工神经网络定义 按一定方式连接而成的网络结构 。
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 。
模拟方法化学工业出版社
www.cip.com.cn第四节 神经元网络控制神经元网络控制作用 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 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
化学工业出版社
www.cip.com.cn第五节 模糊控制系统模糊控制系统 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
化学工业出版社
www.cip.com.cn第五节 模糊控制系统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控制呢?
17
化学工业出版社
www.cip.com.cn第六节 最优控制系统要想使最优控制系统的设计和运行获得成功,必须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
化学工业出版社
www.cip.com.cn第六节 最优控制系统分类 动态最优控制和静态最优控制动态最优控制 —— 要求的数学模型应是动态的 。 解决动态最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 。
静态最优控制 —— 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 。
被控变量保持或接近给定值,就能说明工况是最优的吗？
19
化学工业出版社
www.cip.com.cn第六节 最优控制系统根据操作优化控制的做法不同,大致有三种情况,
1.一次性调优
mn dddcccfJ,,,;,,,2121
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
化学工业出版社
www.cip.com.cn第六节 最优控制系统
2.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
化学工业出版社
www.cip.com.cn第六节 最优控制系统
3.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
f
u yx○
图 14-8 闭环操作优化控制方块图
22
化学工业出版社
www.cip.com.cn第七节 控制管理一体化
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。
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。
计算机集成过程系统？
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。
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
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化工仪表及自动化第十四章 高级控制系统化学工业出版社
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自适应控制系统
参考模型自适应控制系统
具有被控对象数学模型在线辨识的自适应控制系统
预测控制
智能控制系统
神经元网络控制
1
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模糊控制系统
最优控制系统
控制管理一体化
2
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www.cip.com.cn概述
新型控制系统的主要特征：
①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 ;
② 被控过程的数学模型难以精确获得或具有明显的时变性 ;
③ 控制算法丰富,不只局限于 PID形式,系统的目的不是简单地实现输出控制 ;
④ 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
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www.cip.com.cn第一节 自适应控制系统自适应控制 是针对不确定性的系统而提出的 。
分类 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
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www.cip.com.cn第一节 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
一、参考模型自适应控制系统该类自适应控制系统实际上是在原来的反馈控制基础上附加一个参考模型和一个控制器参数的自动调整回路 。
设计这类自适应控制系统的 关键问题 是如何综合自适应律 。 目前综合自适应律有两种方法,一种为参数最优化的综合方法；另一种是基于稳定理论的综合方法 。
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 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
通过在线辨识获取对象的数学模型,然后由控制器对系统进行控制。
被控过程控制器 辨识器
ω (K) υ (K)
c(K)r(K)
u(K) θ (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 。
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预测控制系统 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
x
y
yy
u
u
○ +
+
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图 14-3 预测控制系统化学工业出版社
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8
智能控制系统 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 。
化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 智能控制系统专家系统的作用作为 理论研究 的工具推动了人工智能的发展；作为一种 实用工具 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主要取决于它所拥有知识的数量与质量 。
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www.cip.com.cn第三节 智能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
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11
化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 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 。
智能控制可以置于基层控制,优化控制,甚至经营管理的不同层次 。
12
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www.cip.com.cn第四节 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 。
人工神经元网络 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 人工神经元模型化学工业出版社
www.cip.com.cn第四节 神经元网络控制
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j
n
i
ijij
ji
xwS
sfy
1
输入 xi与输出 y的关系人工神经网络定义 按一定方式连接而成的网络结构 。
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 。
模拟方法化学工业出版社
www.cip.com.cn第四节 神经元网络控制神经元网络控制作用 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 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
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www.cip.com.cn第五节 模糊控制系统模糊控制系统 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
化学工业出版社
www.cip.com.cn第五节 模糊控制系统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控制呢?
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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
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www.cip.com.cn第六节 最优控制系统分类 动态最优控制和静态最优控制动态最优控制 —— 要求的数学模型应是动态的 。 解决动态最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 。
静态最优控制 —— 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 。
被控变量保持或接近给定值,就能说明工况是最优的吗？
19
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1.一次性调优
mn dddcccfJ,,,;,,,2121
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
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2.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
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3.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 。
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计算机控制器 对象
f
u yx○
图 14-8 闭环操作优化控制方块图
22
化学工业出版社
www.cip.com.cn第七节 控制管理一体化
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。
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。
计算机集成过程系统？
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。
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。
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