先進(jìn)控制技術(shù)綜述

PAGE1先進(jìn)控制技術(shù)綜述1引言在實(shí)際的工業(yè)控制過程中，很多系統(tǒng)具有高度的非線性、多變量耦合性、不確定性、信息不完全性和大滯后等特性。對于這種系統(tǒng)很難獲得精確的數(shù)學(xué)模型，并且常規(guī)的控制無法獲得滿意的控制效果。面對這些復(fù)雜的工業(yè)控制產(chǎn)生了新的控制策略，即先進(jìn)控制技術(shù)。先進(jìn)控制技術(shù)包括：自適應(yīng)控制，預(yù)測控制，推理控制，魯棒控制以及包括模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的智能控制方法。本文詳細(xì)介紹了自適應(yīng)控制、預(yù)測控制以及這兩種先進(jìn)控制的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)缺點(diǎn)[1]。2自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制的思想是對于系統(tǒng)中的不確定性，以及控制任務(wù)的艱巨性，對于部分未建模的動態(tài)特性、變化的被控對象和干擾信號，及時地測得它們的信息，并根據(jù)此信息按一定的設(shè)計方法，自動地做出控制決策、修改控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使其控制信號能夠適應(yīng)對象和擾動的動態(tài)變化，在某種意義上達(dá)到控制效果最優(yōu)或次優(yōu)。2．1自適應(yīng)控制介紹目前自適應(yīng)控制的種類很多，從總體上可以分為三大類：自校正控制、模型參考自適應(yīng)控制和其他類型的自適應(yīng)控制。自校正控制的主要問題是用遞推辨識算法辨識系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)來確定調(diào)節(jié)器或控制器的參數(shù)。其原理簡單、容易實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)已廣泛地用在參數(shù)變化、有遲滯和時變過程特性，以及具有隨機(jī)擾動的復(fù)雜系統(tǒng)。自校正控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。自校正控制適用于離散隨機(jī)控制系統(tǒng)[2]。圖1自校正控制結(jié)構(gòu)圖模型參考自適應(yīng)控制，利用可調(diào)系統(tǒng)的各種信息，度量或測出各種性能指標(biāo)，把模型參考自適應(yīng)控制與參考模型期望的性能指標(biāo)相比較；用性能指標(biāo)偏差通過非線性反饋的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生自適應(yīng)律來調(diào)節(jié)可調(diào)系統(tǒng)，以抵消可調(diào)系統(tǒng)因“不確定性”所造成的性能指標(biāo)的偏差，最后達(dá)到使被控的可調(diào)系統(tǒng)獲得較好的性能指標(biāo)的目的。模型參考自適應(yīng)控制可以處理緩慢變化的不確定性對象的控制問題。由于模型參考自適應(yīng)控制可以不必經(jīng)過系統(tǒng)辨識而度量性能指標(biāo)，因而有可能獲得快速跟蹤控制。模型參考自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，模型參考自適應(yīng)控制一般用于確定性連續(xù)控制系統(tǒng)。圖2模型參考自適應(yīng)框圖其他形式的自適應(yīng)控制系統(tǒng)是指除前面所描述的自校正控制系統(tǒng)和模型參考控制系統(tǒng)以外基于先進(jìn)理論的自適應(yīng)控制系統(tǒng)及多變量過程自適應(yīng)控制系統(tǒng)、非線性自適應(yīng)控制系統(tǒng)和權(quán)系數(shù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)等。2.2自適應(yīng)控制應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)控制器參數(shù)的調(diào)整最早出現(xiàn)于1940年，直到20世紀(jì)50年代末，由于飛機(jī)控制器的需要，麻省理工學(xué)院首先提出了飛機(jī)自動駕駛儀的模型參考自適應(yīng)控制方案。1960年至1970年間，伴隨著控制理論的發(fā)展，自適應(yīng)控制設(shè)計有了有效的基礎(chǔ)，進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，隨著數(shù)字機(jī)性能價格比的迅速改善和微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷提高，至此自適應(yīng)控制得到了充分的應(yīng)用。如今自適應(yīng)控制得到進(jìn)一步發(fā)展，其不僅在工業(yè)領(lǐng)域取得了較大的成功，而且在社會、經(jīng)濟(jì)和醫(yī)學(xué)等非工業(yè)領(lǐng)域也進(jìn)行了有益的探索。自適應(yīng)控制的應(yīng)用主要有以下幾個方面：工業(yè)過程控制，智能化高精密機(jī)電或電液系統(tǒng)控制，電力系統(tǒng)的控制，航天航空、航海和無人駕駛，柔性結(jié)構(gòu)與振動和噪聲的控制，生物工程及武器系統(tǒng)。同一般的反饋控制相比，自適應(yīng)控制具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)一般反饋控制主要適用于事先確知的對象或確定性對象。自適應(yīng)控制可應(yīng)用先前無法確知的對象和時變對象。(2)一般反饋控制具有抗干擾能力，能夠消除狀態(tài)擾動引起的系統(tǒng)誤差。自適應(yīng)控制因?yàn)橛斜孀R對象和在線修改參數(shù)的能力，因而不僅能夠消除狀態(tài)擾動引起的系統(tǒng)誤差，還能消除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擾動引起的系統(tǒng)誤差。(3)一般反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計需要掌握描述系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)模型及其環(huán)境變化狀況。自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計很少依賴數(shù)學(xué)模型，只需要較少的先驗(yàn)知識，就可以通過自適應(yīng)的控制設(shè)計實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。(4)自適應(yīng)控制是更復(fù)雜的反饋控制，與一般反饋控制相比增加了自適應(yīng)控制機(jī)構(gòu)或辨識器，還附加了一個可調(diào)系統(tǒng)，可以解決更復(fù)雜的控制問題。性、穩(wěn)定性和魯棒性的影響，難以給出設(shè)計參數(shù)變化的選擇準(zhǔn)則。這表明現(xiàn)有的理論研究仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際。因此，突破現(xiàn)狀解決預(yù)測控制中存在的問題，對促進(jìn)這類富有生命力的新型計算機(jī)控制算法的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。4總結(jié)在今后一段時間內(nèi)，相對簡單的反饋、前饋和其他成熟的控制技術(shù)仍將繼續(xù)顯示出其優(yōu)點(diǎn)。由此，自適應(yīng)控制和預(yù)測控制必須有新的突破性進(jìn)展，在工程應(yīng)用中才有可能對PID控制等傳統(tǒng)方法取得壓倒性優(yōu)勢，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、知識庫和專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)是最終實(shí)現(xiàn)這一遠(yuǎn)景的可能途徑。參考文獻(xiàn)[1]毛志忠,常自清.先進(jìn)控制技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.[2]劉楚輝.自適應(yīng)控制的應(yīng)用研究綜述[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2007.[3]劉桂波.廣義預(yù)測控制系統(tǒng)的閉環(huán)特性分析[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報，2012(26),6:47-49.[4]李偉,杜玉蕾.廣義預(yù)測控制在時滯系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電腦應(yīng)用技術(shù)，2009,67:32-37.[5]秦剛,王新茹.PID結(jié)構(gòu)廣義預(yù)測控制算法的仿真及分析[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2012(32),2:162-166.[6]馬輝.先進(jìn)控制技術(shù)的性能分析[D].碩士學(xué)位論文，黑龍江大學(xué)，2009.[7]李峰,王京.內(nèi)模控制在高溫濕熱控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化儀表，2012(33),3:57-59.[8]胡耀華,賈欣樂.廣義預(yù)測控制綜述[J].信息與控制，2000.6.[9]禹柳飛.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在預(yù)測控制中的應(yīng)用研究[D].碩士學(xué)位論文，湖南大學(xué)論文，2003.基于故障樹分析法的智能故障診斷方法故障樹分析(FaultTreeAnalysis，簡稱FTA)，是用于大型復(fù)雜系統(tǒng)可靠性、安全性分析、風(fēng)險評價和故障診斷的一種方法。1961年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室首先應(yīng)用FTA在民兵導(dǎo)彈的發(fā)射控制系統(tǒng)可靠性研究中獲得成功。1965年波音公司在系統(tǒng)安全年會上正式發(fā)表了在故障樹方面的研究成果的報告，引起了科研人員的高度重視。1974年美國原子能委員會發(fā)表的核電站安全評價報告中，主要的分析技術(shù)就是事件樹分析和故障樹分析。故障樹分析這種圖形化的分析方法隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)逐漸的滲入到其他科技領(lǐng)域，例如，化工、電力、航空、航天等，并且逐步地形成了完整的理論、工程分析方法和程序。我國從1978年開始了FTA的研究。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的FTA技術(shù)得到了極大的發(fā)展，并廣泛運(yùn)用于核工業(yè)、航天、航空、機(jī)械、電子、化工等各領(lǐng)域。1、故障樹分析法的應(yīng)用和特點(diǎn)FTA法可用于系統(tǒng)的設(shè)計、試制和服役等各階段，作為判明基本故障并確定其原因和影響以及發(fā)生概率的一種分析工具，大致來說，F(xiàn)TA已經(jīng)在以下八個方面獲得了成功：（1）預(yù)測系統(tǒng)安全性和可靠性。（2）系統(tǒng)的風(fēng)險評估。（3）尋找系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，制定預(yù)防措施。（4）事故分析。（5）系統(tǒng)故障分析，指定故障查找程序，尋找故障檢測最佳部位。（6）系統(tǒng)元、部件的重要度分析。（7）制定維修決策。（8）故障樹模擬分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。2、故障樹具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）故障樹是一種圖形演繹法，它用圖形清晰的表達(dá)了系統(tǒng)故障事件的內(nèi)在聯(lián)系并指出了單元故障與系統(tǒng)故障之間的邏輯關(guān)系。（2）故障樹分析法能夠把系統(tǒng)故障各種可能因素聯(lián)系起來，有利于找到系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的故障譜。（3）故障樹可以作為管理和維修人員的一個形象的管理、維修指南，可以大大縮短維修人員的培訓(xùn)時間。（4）通過故障樹可以定量的計算復(fù)雜系統(tǒng)的失效概率和可靠性參數(shù)，可以求出復(fù)雜系統(tǒng)的一些可靠性特征量，還能讓設(shè)計人員弄清楚系統(tǒng)故障模式和成功模式，衡量元、部件對系統(tǒng)的危害度和重要度，為改進(jìn)和評估系統(tǒng)提供定量的依據(jù)。（5）故障樹分析和計算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，計算機(jī)程序已成為故障樹分析中不可缺少的工具。3、故障樹具有以下局限性（1）復(fù)雜系統(tǒng)的建樹工作量大，容易導(dǎo)致錯漏。對于研究目標(biāo)的系統(tǒng)故障，各個分析人員所取的范圍會有所不同，因而可能漏掉重大的系統(tǒng)故障。同樣，在系統(tǒng)故障逐步向元、部件做演繹分析時，也有可能漏掉一些元、部件故障模式。（2）FTA法理論性較強(qiáng)，邏輯性比較嚴(yán)密。對分析人員的經(jīng)驗(yàn)和知識水平要求較高。（3）收集數(shù)據(jù)困難。在故障樹診斷系統(tǒng)中，頂事件的概率是由若干底事件的概率按照一定的規(guī)律求得。當(dāng)數(shù)據(jù)不可信時