第三章-d先進控制技術(shù).ppt

1、第三章 先進控制技術(shù),主要內(nèi)容,3.1 基于模型的預(yù)測控制 3.2 解耦控制系統(tǒng) 3.3 軟測量技術(shù) 3.4 自適應(yīng)控制 3.5 純滯后補償控制系統(tǒng) 3.6 綜合自動化系統(tǒng),先進控制（Advanced Process Control，APC） 起源 1）計算機技術(shù)的發(fā)展，DCS和PLC等的出現(xiàn)； 2）現(xiàn)代控制理論的誕生，控制理論和應(yīng)用都有很大發(fā)展； 3）過程工業(yè)向大型化和精細化方向發(fā)展。 從實際工業(yè)過程特點出發(fā)，尋求對模型要求不高、在線計算方便、對過程和環(huán)境的不確定性有一定適應(yīng)能力的控制策略和方法。,3.1 基于模型的預(yù)測控制,3.1.1 預(yù)測控制基本原理 1.基本原理 3個基本特征：預(yù)測模型

2、、反饋校正、滾動優(yōu)化,3.1 基于模型的預(yù)測控制,三大基本特征：（1）預(yù)測模型,功能 根據(jù)過程的歷史信息和當前時刻的控制輸入預(yù)測其未來輸出 形式 非參數(shù)模型：脈沖響應(yīng)模型、階躍響應(yīng)模型 參數(shù)模型：受控自回歸滑動平均模型、受控自回歸積分滑動平均模型、狀態(tài)空間模型等,3.1 基于模型的預(yù)測控制,三大基本特征：（2）滾動優(yōu)化,滾動優(yōu)化的目的 通過某性能指標的最優(yōu)來確定未來的控制作用 參考軌跡、控制能量最小等 滾動優(yōu)化的方法 有限時段的優(yōu)化，反復(fù)在線運行 每一步實現(xiàn)的是靜態(tài)優(yōu)化 全局動態(tài)優(yōu)化,3.1 基于模型的預(yù)測控制,三大基本特征：（3）反饋校正,每個采樣時刻，都對預(yù)測輸出進行修正 補償輸出 校正模

3、型參數(shù) 實現(xiàn)閉環(huán)優(yōu)化 預(yù)測輸出不僅基于模型，而且利用了反饋信息,3.1 基于模型的預(yù)測控制,2.預(yù)測控制的一些優(yōu)良性質(zhì) 對數(shù)學模型要求不高； 能直接處理具有純滯后的過程； 具有良好的跟蹤性能和較強的抗干擾能力； 對模型誤差具有較強的魯棒性。,3.1 基于模型的預(yù)測控制,3.常用預(yù)測控制算法 動態(tài)矩陣控制（Dynamic Matrix Control, DMC） 模型算法控制（Model Algorithmic Control, MAC） 廣義預(yù)測控制（Generalized Predictive Control, GPC） 預(yù)測函數(shù)控制（ Predictive Functional Contr

4、ol, PFC） 廣義預(yù)測極點配置控制（Generalized Predictive Pole-placement Control, GPPC） 其他,3.1 基于模型的預(yù)測控制,3.1.2 預(yù)測控制算法 1.動態(tài)矩陣控制（DMC） 由Cutler等人提出 首先應(yīng)用（1974）于Shell Development Co. 是一種基于對象階躍響應(yīng)的預(yù)測控制算法，適用于漸進穩(wěn)定的線性對象。,3.1 基于模型的預(yù)測控制,（1）預(yù)測模型 有限集合aT=a1，a2 ，aN 中的參數(shù)可完全描述系統(tǒng)的動態(tài)特性，N稱為建模時域。,3.1 基于模型的預(yù)測控制,（1）預(yù)測模型 利用線性疊加性質(zhì)： k時刻時，假定控

5、制作用不變，對N個時刻的輸出預(yù)測為： 當k時刻有一控制作用u(k)時，對N個時刻的輸出預(yù)測為：,3.1 基于模型的預(yù)測控制,（1）預(yù)測模型,3.1 基于模型的預(yù)測控制,（1）預(yù)測模型 若有M個連續(xù)控制增量u(k), u(k+1), , u(k+M-1)作用，未來各時刻的預(yù)測輸出為：（M稱為控制時域）,3.1 基于模型的預(yù)測控制,（2）滾動優(yōu)化 在時刻k，要確定從該時刻起的 M 個控制增量 u(k)，u(k+1)，u(k+M-1)，使被控對象在其作用下未來 P 個時刻的輸出預(yù)測值 盡可能接近給定的期望值 P稱為優(yōu)化時域 MPN,3.1 基于模型的預(yù)測控制,（2）滾動優(yōu)化,3.1 基于模型的預(yù)測控

6、制,（2）滾動優(yōu)化 優(yōu)化變量為uM(k)=u(k), u(k+1), , u(k+M-1)T 優(yōu)化目標為min J(k) 預(yù)測模型寫為矩陣形式：,3.1 基于模型的預(yù)測控制,（2）滾動優(yōu)化 性能指標寫為矩陣形式：,已知的,3.1 基于模型的預(yù)測控制,（2）滾動優(yōu)化 只需u(k)構(gòu)成實際控制量u(k)=u(k-1)+u(k)作用于對象即可。 其中， ，可以離線進行計算。,3.1 基于模型的預(yù)測控制,（3）反饋校正 預(yù)測模型： 是k時刻的初始預(yù)測值，但實際值與預(yù)測值有可能存在偏差，所以需要對其進行修正： 其中， 校正向量,3.1 基于模型的預(yù)測控制,DMC的實現(xiàn) 預(yù)處理 對不穩(wěn)定的對象，待穩(wěn)定后實

7、施預(yù)測控制 對非線性對象，在工作點處線性化 確定動態(tài)矩陣 測試被控對象的階躍響應(yīng) 選擇參數(shù)初值 優(yōu)化時域P：重要參數(shù)，應(yīng)包含對象的主要動態(tài)特性 控制時域M：P，M小，控制性能差； M大，計算量大 誤差權(quán)矩陣Q：反應(yīng)不同時刻的權(quán)重，等權(quán)重或只考慮后面幾項 控制權(quán)矩陣R:一般較小,3.1 基于模型的預(yù)測控制,DMC的實現(xiàn) 計算d 按公式計算 程序初始化 檢測實際輸出，計算預(yù)測初值 控制量的在線計算 在線計算量小，易于實現(xiàn),3.1 基于模型的預(yù)測控制,2.模型算法控制（MAC） 模型算法控制（Model Algorithmic Control, MAC）是基于脈沖響應(yīng)模型的預(yù)測控制，又稱模型預(yù)測啟發(fā)

8、式控制（MPHC）,適于漸進穩(wěn)定的線性過程。 MAC控制算法包括預(yù)測模型、反饋(在線)校正、參考軌線、滾動優(yōu)化等。,3.1 基于模型的預(yù)測控制,2.模型算法控制（MAC） （1）預(yù)測模型 MAC的預(yù)測模型采用脈沖響應(yīng)模型，即,式中，N為脈沖響應(yīng)系數(shù)長度；P為輸出預(yù)估時域長度。,3.1 基于模型的預(yù)測控制,（2）反饋校正 為了克服擾動和模型失配等因素對模型預(yù)測值的影響，采用當前的過程輸出的測量值y(k)與模型的計算值ym(k)進行比較，用它們的差e(k)來修正模型輸出的預(yù)估值。設(shè)修正后的輸出預(yù)估值記為yp(k+j),則有,式中，y(k)為當前時刻k的測量值；為加權(quán)系數(shù)。,3.1 基于模型的預(yù)測控

9、制,（3）設(shè)定值與參考軌線 設(shè)定值為yd, 參考軌跡為yr(k),越小，參考軌跡到達設(shè)定值越快； 越大，控制快速性越差。,3.1 基于模型的預(yù)測控制,（4）最優(yōu)控制作用 優(yōu)化目標 對于無約束的上述優(yōu)化可用最小二乘法求解。,3.1 基于模型的預(yù)測控制,MAC算法原理圖,特別地，每次只實施一步優(yōu)化控制的算法稱為一步優(yōu)化模型算法控制, 簡稱一步MAC 。,現(xiàn)時刻k的最優(yōu)控制作用為,最優(yōu)控制作用的在線計算,其中，,上式中，當預(yù)測長度P和控制長度M選定后，權(quán)系數(shù)矩陣Q和R已知時，H2矩陣是一個固定常數(shù)矩陣，因而在實施控制時，只需要離線進行一次求逆，而不必每次采樣后都進行求逆運算。因此，MAC的控制作用u

10、(k)的在線計算非常簡單，其計算量僅為一個向量和向量的相乘。,3.1 基于模型的預(yù)測控制,3.1 基于模型的預(yù)測控制,3.1.3 預(yù)測控制軟件包的發(fā)展 1.第一代模型預(yù)測控制技術(shù) 第一代預(yù)測模型控制技術(shù)以Adersa公司的IDCOM和Shell公司的DMC為代表，主要處理無約束過程的預(yù)測控制。 2.第二代模型預(yù)測控制技術(shù) Shell公司的QDMC算法可以被稱第二代預(yù)測控制軟件包，它采用二次規(guī)劃方法(QP）求解，可以系統(tǒng)地處理輸入、輸出問題。在實際應(yīng)用中出現(xiàn)新的問題，例如：外界的干擾可能造成QP無可行解情況；自由度可控制結(jié)構(gòu)變化問題；容錯能力有待提高。,3.1 基于模型的預(yù)測控制,3.第三代模型

11、預(yù)測控制技術(shù) 為了解決無可行解問題，控制結(jié)構(gòu)能隨情況發(fā)生變化，能適用于過程動態(tài)特性及更高的品質(zhì)要求，開發(fā)了第三代MPC。第三代模型預(yù)測控制技術(shù)的主要特點是處理約束的多變量、多目標、多控制模式和基于模型預(yù)測的最優(yōu)控制器。 4.第四代模型預(yù)測控制技術(shù) 在第三代模型預(yù)測控制技術(shù)的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了第四代模型預(yù)測控制技術(shù)。其特征為基于windows的圖形用戶界面；采用多層優(yōu)化，以實現(xiàn)不同等級的目標控制；采用靈活的優(yōu)化方法；直接考慮模型不確定性（魯棒控制設(shè)計）；改進的辨識技術(shù)等。主要有Aspen公司的DMCplus和Honeywell公司的RMPCT,以及浙大中控軟件公司的Adcon等，都已在煉油、化工、石

12、化等工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用。,3.1 基于模型的預(yù)測控制,3.1.4 預(yù)測控制在國內(nèi)的應(yīng)用 由于先進控制軟件包可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益，我國已引進IDCOM-M,SMCA,DMCplus等先進控制軟件包，并已投入使用。另外，Honeywell Profimatics公司已經(jīng)與中國石化公司合作，在石化行業(yè)推廣他們的RMPCT軟件，部分已投入使用。在催化裂化裝置、常減壓力蒸餾裝置、連續(xù)重整裝置、聚丙烯裝置、延遲焦化裝置、空分裝置等重要裝置中應(yīng)用較多。,第三章 先進控制技術(shù),主要內(nèi)容,3.1 基于模型的預(yù)測控制 3.2 解耦控制系統(tǒng) 3.3 軟測量技術(shù) 3.4 差拍控制系統(tǒng) 3.5 純滯后補償控制系

13、統(tǒng) 3.6 推斷控制 3.7 自適應(yīng)控制和魯棒控制 3.8 故障檢測診斷和容錯控制 3.9 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 3.10 綜合自動化系統(tǒng),3.2 解耦控制系統(tǒng),3.2.1 系統(tǒng)的關(guān)聯(lián) 在一個生產(chǎn)裝置中，往往需要設(shè)置若干個控制回路來穩(wěn)定各個被控變量。在這種情況下，幾個回路之間就可能相互關(guān)聯(lián)、相互耦合、相互影響，構(gòu)成多輸入-多輸出的關(guān)聯(lián)（耦合）控制系統(tǒng)。如圖所示流量、壓力控制方案就是相互耦合的系統(tǒng)。,3.2 解耦控制系統(tǒng),3.2.2 相對增益 第一增益：某一通道ujyi在其他系統(tǒng)均為開環(huán)時的放大系數(shù)。 第二增益：該通道在其他系統(tǒng)均為閉環(huán)時的放大系數(shù)。 相對增益：第一增益與第二增益之比為ij。,式中，

14、分子項外的下標u表示除了uj以外，其他u都保持不變，即都為開環(huán)；分母項以外的下標y表示除了yi以外，其他y都保持不變，即其他系統(tǒng)都為閉環(huán)系統(tǒng)。,3.2 解耦控制系統(tǒng),雙輸入-雙輸出對象靜態(tài)特性,該系統(tǒng)的靜態(tài)方程為,求 ，首先求取 的分子項 ，除u1外，其他u不變，則有,3.2 解耦控制系統(tǒng),再求 的分母項 ，除y1外，其他y不變：,3.2 解耦控制系統(tǒng),同樣可推出,如果排列成數(shù)陣形式,相對增益陣列 （Bristol矩陣）,3.2 解耦控制系統(tǒng),在雙輸入雙輸出情況下，下面幾點很有用。,相對增益陣列中，每行和每列的元素之和為1. 在相對增益陣列中，所有元素為正時，稱為正耦合。 在相對增益中只要有一

15、個元素為負，則稱為負耦合。 當一對 為1，則另一對 為0，此時系統(tǒng)不存在穩(wěn)態(tài)關(guān)聯(lián)。 當采用兩個單一的控制器時，操縱變量 與被控變量 間的匹配應(yīng)使兩者間的 盡量接近1。 如果匹配的結(jié)果是 仍小于1，則由于控制間關(guān)聯(lián)，該通道在其他系統(tǒng)閉環(huán)后的放大系數(shù)將大于在其他系統(tǒng)開環(huán)時的數(shù)值，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性往往有所下降。 千萬不要采用 為負值的 與 的匹配方式，這時，當其他系統(tǒng)改變其開環(huán)或閉環(huán)狀態(tài)時，本系統(tǒng)將喪失穩(wěn)定性（由負反饋變?yōu)檎答仯?3.2 解耦控制系統(tǒng),3.2.3 解耦控制系統(tǒng)設(shè)計原則 1.自治原則 為了減少關(guān)聯(lián)，合理地對被控變量與操縱變量正確匹配，使它們的相對增益盡量接近1。 2.解耦原則 關(guān)聯(lián)嚴重

16、時，合理地使用解耦控制方法。 3.協(xié)調(diào)跟蹤原則 將控制系統(tǒng)分解為若干具有自治功能的控制系統(tǒng)，可以減小系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)，但并未根本解決問題。為此，應(yīng)對各個自治的控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)，組成協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。比如電站中的鍋爐和汽輪機組，用電量增加時，要及時協(xié)調(diào)鍋爐的蒸汽產(chǎn)出，是生產(chǎn)過程平穩(wěn)進行。,3.2 解耦控制系統(tǒng),3.2.4 減少與解除耦合途徑 1.被控變量與操作變量間的正確匹配 對有些系統(tǒng)來說，減少與解除耦合的途徑可以通過被控變量與操縱變量的正確匹配來解決，這是最簡單的有效手段。 例如：混合器系統(tǒng)，濃度和流量 進行控制，A濃度100%， B濃度0%，濃度C要求 控制為75%，如何匹配？,混合濃度和流量控制

17、系統(tǒng),3.2 解耦控制系統(tǒng),對于這個系統(tǒng)有,求取相對增益 （濃度C與QA配對）,相對增益陣列為,目前匹配是不合理的，可以重新匹配，組成按出口濃度C來控制物料QB、而Q由QA來控制系統(tǒng)。,3.2 解耦控制系統(tǒng),2.控制器的參數(shù)整定 在上述方法無能為力的情況下，一條出路就是在動態(tài)上設(shè)法通過控制器的參數(shù)整定，使兩個控制回路的工作頻率錯開，兩個控制器作用強弱不同。 3.減少控制回路 把上述方法推到極限，次要控制回路的控制器取無窮大的比例度，此時這個控制回路不再存在，它對主要控制回路的關(guān)聯(lián)作用也就消失。,3.2 解耦控制系統(tǒng),4.串接解耦控制,在控制器輸出與執(zhí)行器輸入之間，可以串接入解耦裝置D(s)。只

18、要能使G(S)D(S)相乘后成為對角陣，這就解除了系統(tǒng)之間耦合，兩個控制回路不再關(guān)聯(lián)。,3.2 解耦控制系統(tǒng),3.2.5 串接解耦控制 要求G(s)D(s)成為對角陣，對其非零元素有3類方法。 1.對角線矩陣法,此法要求 ，如,解耦裝置D(s)：,這樣求出的解耦裝置各元素傳遞函數(shù)可能相當復(fù)雜。,3.2 解耦控制系統(tǒng),2.單位矩陣法,單位矩陣法要求,即通過解耦，使各個系統(tǒng)的對象特性成1：1的比例環(huán)節(jié)。此時解耦裝置D(s)為,單位矩陣法得到的解耦裝置D(s)為對象傳遞矩陣的逆。,即,3.2 解耦控制系統(tǒng),3.前饋補償法 前饋補償法只規(guī)定對角線以外的元素為零，這樣也完全解除了耦合。但是各通道的傳遞函

19、數(shù)并不是原來的Gij(s),此時可取某些Dij=1。,3.2 解耦控制系統(tǒng),此時，取 ,解耦補償裝置 和 可根據(jù)前饋補償原理求得,又有 ，所以,在需要時，也可令 或 或 ，按同樣的原理可以求得解耦裝置的傳遞函數(shù)。,3.2 解耦控制系統(tǒng),4.設(shè)計中的有關(guān)問題 實踐表明，在很多情況下采用靜態(tài)解耦已能獲得相當好的效果。 一般來說，需要采用動態(tài)解耦時，Dij(s)宜采用超前滯后環(huán)節(jié)，即 的形式。 當G(s)為奇異矩陣時，即G(s)的行列式為零時，無法采用串接解耦控制方案。,第三章 先進控制技術(shù),主要內(nèi)容,3.1 基于模型的預(yù)測控制 3.2 解耦控制系統(tǒng) 3.3 軟測量技術(shù) 3.4 自適應(yīng)控制 3.5

20、純滯后補償控制系統(tǒng) 3.6 綜合自動化系統(tǒng),3.3 軟測量技術(shù),軟測量的基本思想是對于難以測量或暫時不能測量的重要變量（或稱主導(dǎo)變量），通過構(gòu)成某種數(shù)學關(guān)系來推斷和估計，以軟件來代替硬件（傳感器）功能。 優(yōu)點：響應(yīng)迅速、連續(xù)給出主導(dǎo)變量信息和投資低及維護保養(yǎng)簡單等。,3.3 軟測量技術(shù),3.3 軟測量技術(shù),3.3.1 軟測量技術(shù) 軟測量技術(shù)主要由輔助變量的選擇、數(shù)據(jù)采集與處理、軟測量模型建立及在線校正等部分組成： 1.機理分析與輔助變量的選擇 明確軟測量的任務(wù)，確定主導(dǎo)變量； 通過機理分析初步確定輔助變量； 輔助變量的選擇包括變量類型、變量數(shù)目和檢測點位置； 降維（主元分析等方法）,3.3 軟

21、測量技術(shù),3.3.1 軟測量技術(shù) 2.數(shù)據(jù)采集與處理 實際需要采集的數(shù)據(jù)是與軟測量主導(dǎo)變量對應(yīng)時間的輔助變量的過程數(shù)據(jù)； 覆蓋盡可能多的工況； 數(shù)據(jù)處理（換算(Scaling)、數(shù)據(jù)誤差處理）,3.3 軟測量技術(shù),3.軟測量模型的建立 機理建模（白箱） 經(jīng)驗建模（黑箱） 機理建模與經(jīng)驗建模相結(jié)合（灰箱） 4.軟測量模型的在線校正 軟測量模型的在線校正可表示為模型結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)的優(yōu)化過程，具體方法有自適應(yīng)法、增量法和多時標法。,3.3 軟測量技術(shù),3.3.2 軟測量工程設(shè)計 軟測量過程設(shè)計步驟,3.3 軟測量技術(shù),3.3.3 工業(yè)應(yīng)用實例 某大型氣體分餾裝置的丙烯烷精餾塔，其產(chǎn)品為聚合級丙烯，要

22、求丙烯純度大于99.6%，同時要求塔底丙烯含量小于5%。 選擇輔助變量：雙溫差2T、精餾段溫差T1、提餾段溫差T2、塔壓P、回流比R。,3.3 軟測量技術(shù),通過對嚴格氣液平衡模型的簡化和現(xiàn)場動態(tài)測試，得到以下估計模型： 塔頂丙烯純度（摩爾分數(shù)）,塔底丙烯含量（摩爾分數(shù)）,3.3 軟測量技術(shù),由于過程特性是時變的，如精餾塔板效率變化和操作工況變化都可能導(dǎo)致估計的偏離，因此必須在線校正。 校正信號采用工廠2小時或4小時的離線色譜分析值，記為XD(k),估計器的輸出記為XE(k),于是偏差E(k)為,n為色譜分析的滯后時間。,經(jīng)校正后的估計器輸出Xc(k)為,式中，為校正速率，它反映了校正過程的快慢

23、，根據(jù)實際生產(chǎn)情況可以加以調(diào)整。,第三章 先進控制技術(shù),主要內(nèi)容,3.1 基于模型的預(yù)測控制 3.2 解耦控制系統(tǒng) 3.3 軟測量技術(shù) 3.4 自適應(yīng)控制 3.5 純滯后補償控制系統(tǒng) 3.6 綜合自動化系統(tǒng),3.4 自適應(yīng)控制,3.4.1 自適應(yīng)控制概述 自適應(yīng)控制是建立在系統(tǒng)數(shù)學模型參數(shù)未知的基礎(chǔ)上，而且隨著系統(tǒng)行為的變化，自適應(yīng)控制也會相應(yīng)地改變控制器的參數(shù)，以適應(yīng)其特性的變化，保證整個系統(tǒng)性能指標達到令人滿意的結(jié)果。 自適應(yīng)控制系統(tǒng)是一個具有自適應(yīng)能力的系統(tǒng)，它必須能夠辨識過程參數(shù)與環(huán)境條件的變化，在此基礎(chǔ)上自動地校正控制規(guī)律。 一個自適應(yīng)控制系統(tǒng)至少應(yīng)有下述三個部分： 具有一個測量或估

24、計環(huán)節(jié)； 能夠測量或計算系統(tǒng)指標，判斷系統(tǒng)是否偏離最優(yōu)值； 具有自動調(diào)整控制規(guī)律或控制器參數(shù)的能力。,3.4 自適應(yīng)控制,自適應(yīng)控制系統(tǒng)的類型：,簡單自適應(yīng)控制系統(tǒng) 自整定控制系統(tǒng) 模型參考型自適應(yīng)控制系統(tǒng) 自校正控制系統(tǒng),實質(zhì)上，自適應(yīng)控制是辨識技與控制技術(shù)的結(jié)合。自適應(yīng)控制系統(tǒng)的一般框圖如圖所示。,圖3-14 自適應(yīng)控制系統(tǒng)的一般框圖,3.4 自適應(yīng)控制,3.4.2 自整定調(diào)節(jié)器 1.繼電型自整定 繼電型整定的基本思想是在控制系統(tǒng)中設(shè)置兩種模式：測試模式和控制模式。,圖中是繼電型自整定控制結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，兩種模式的切換是靠開關(guān)來實現(xiàn)的。,圖 繼電型PID自整定控制結(jié)構(gòu),3.4 自適應(yīng)

25、控制,整定步驟如下：,在控制模式下，使系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)，然后將整定開關(guān) S撥向測試模式，接通繼電器，使系統(tǒng)處于等副振蕩； 測出振蕩幅度A和振蕩周期TK,并根據(jù)公式 ，求出臨界比例度 與臨界比例度法一樣，根據(jù)TK和 值，利用臨界比例度法的經(jīng)驗公式，求出控制器的各整定參數(shù)。,優(yōu)點：繼電型自整定方法簡單、可靠，需要預(yù)先設(shè)定的參數(shù)就是繼電特性的參數(shù)h和d。 缺點：被控對象須能在開關(guān)信號作用下產(chǎn)生等幅振蕩，從而限制了其使用范圍；對于時間常數(shù)較大的被控對象，整定過程將很費時間；對一些干擾因素多且較頻繁的系統(tǒng)，則要求振蕩幅度足夠大，嚴重時將影響穩(wěn)定的等幅振蕩的形成，從而無法加以整定。,3.4 自適應(yīng)控制,2

26、.YEWSERIES自整定PID控制器 YEWSERIES80自整定PID控制器如圖所示。,圖 STC的結(jié)構(gòu),3.4 自適應(yīng)控制,圖中虛線部分為控制器所配置的專家系統(tǒng)STC的結(jié)構(gòu)。其中： 知識庫：相當于一部PID參數(shù)整定手冊，包含有專家整定經(jīng)驗數(shù)據(jù)。 響應(yīng)曲線：根據(jù)設(shè)定值SV、測量值PV、控制器輸出值MV的變化情況，經(jīng)過推理所得到的過程響應(yīng)曲線。 控制目標：有四種類型， 0類型 超調(diào)0 無超調(diào) 1類型 最小 超調(diào)?。s5%）整定時間短 2類型 最小 超調(diào)中（約10%）上升時間略短 3類型 最小 超調(diào)大（約15%）上升時間短 調(diào)整規(guī)則：根據(jù)過程響應(yīng)曲線，從知識庫中選擇適當?shù)恼{(diào)節(jié)規(guī)則，求出相應(yīng)的P

27、ID變化量。 推理：根據(jù)SV、PV、MV，推導(dǎo)出對象的階躍響應(yīng)或脈沖響應(yīng)，并給出響應(yīng)曲線的特征參數(shù)。,3.4 自適應(yīng)控制,3.FOXBORO-EXACT自整定PID控制器 這種控制器把波形分析法與人工智能的專家思想結(jié)合起來。當控制回路的設(shè)定值或干擾發(fā)生變化時，將控制偏差對時間的響應(yīng)特性作為控制的性能指標，判斷是否要修改現(xiàn)行的PID參數(shù)。,圖 控制偏差e(t)對時間的響應(yīng)特性,3.4 自適應(yīng)控制,假定控制偏差對時間的響應(yīng)特性如圖3.24所示，測量出峰值E1、E2和E3,有,把這些參數(shù)引進自整定算法參數(shù)修正計算軟件包，就可以根據(jù)用戶對過程控制的性能指標的要求，按照預(yù)先設(shè)計好的程序進行計算，從而得出

28、PID控制器的整定參數(shù)。,3.4 自適應(yīng)控制,3.4.3 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng) 典型的模型參考型自適應(yīng)控制系統(tǒng)是參考模型和被控系統(tǒng)并聯(lián)運行，參考模型表示了控制系統(tǒng)的性能要求。,三種設(shè)計控制規(guī)律的方法： 參數(shù)最優(yōu)化方法； 基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論的方法； 利用超穩(wěn)定性來設(shè)計自適應(yīng)控制系統(tǒng)的方法。,圖3-17 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng),3.4 自適應(yīng)控制,3.4.4 自校正控制系統(tǒng),自校正控制系統(tǒng)是自適應(yīng)控制中一個相當活躍的分支。自校正控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。,內(nèi)回路包括過程和普通線性反饋控制器； 外回路用來調(diào)整控制器的參數(shù)，它由遞推參數(shù)估計器和控制器參數(shù)調(diào)整機構(gòu)組成。,圖3-15 自校正控制器

29、的基本結(jié)構(gòu),第三章 先進控制技術(shù),主要內(nèi)容,3.1 基于模型的預(yù)測控制 3.2 解耦控制系統(tǒng) 3.3 軟測量技術(shù) 3.4 自適應(yīng)控制 3.5 純滯后補償控制系統(tǒng) 3.6 綜合自動化系統(tǒng),3.5 純滯后補償控制系統(tǒng),大純滯后過程 當 時，稱生產(chǎn)過程是大純滯后過程。 純滯后大時，一般控制系統(tǒng)難以奏效，需采用smith預(yù)估補償控制、內(nèi)?？刂频瓤刂品椒?。,3.5 純滯后補償控制系統(tǒng),3.5.1 史密斯預(yù)估補償控制方案 史密斯1957年提出 在PID控制基礎(chǔ)上，引入補償環(huán)節(jié)GK(s)，使閉環(huán)特征方程不含純滯后,3.5 純滯后補償控制系統(tǒng),引入預(yù)估補償器GK(s)后，閉環(huán)傳遞函數(shù)是,可以看到，若Gk(s)

30、滿足,這時，閉環(huán)特征方程,3.5 純滯后補償控制系統(tǒng),Smith預(yù)估控制的特點 若模型與對象特性不一致，會引起系統(tǒng)控制性能下降； 實際工業(yè)對象通常是參數(shù)時變的，當參數(shù)變化不大時，采用smith預(yù)估控制有一定效果。 當過程參數(shù)（Kp、等）變化10%15%時，smith預(yù)估補償就失去了良好效果。,3.5 純滯后補償控制系統(tǒng),3.5.2 自適應(yīng)史密斯預(yù)估補償控制,增益自適應(yīng)史密斯補償控制是由賈爾斯(R.F.Giles)和巴特利（T.M.Bartley）提出來的，它是史密斯預(yù)估補償控制的改進。,除法器是將過程的輸出值除以預(yù)估模型的輸出值； 識別器（一階微分環(huán)節(jié)）中的微分時間Td=P,它將使過程輸出比估

31、計模型輸出提前P的時間進入乘法器； 乘法器將預(yù)估器輸出乘以識別器輸出后送入控制器。,3.5 純滯后補償控制系統(tǒng),當模型與對象特性完全一致時，除法器輸出為1，即為Smith預(yù)估控制； 若Kp發(fā)生變化，Gp(s)由原來的KpG(s)變?yōu)?Kp+K)G(s)， 則除法器輸出為(Kp+K)/Kp， 識別器輸出也為(Kp+K)/Kp ， m=KpG(s)u ， 乘法器輸出為(Kp+K)G(s)u， 將變化量完全補償。,3.5 純滯后補償控制系統(tǒng),3.5.3 應(yīng)用實例 精餾塔塔頂成分控制系統(tǒng)中，被控變量是塔頂成分Xd，操縱變量是回流量R，干擾主要為進料量F。 實驗測試獲得了塔頂成分Xd與回流量R、干擾量F

32、的傳遞函數(shù)。,3.5 純滯后補償控制系統(tǒng),3.5.3 應(yīng)用實例 按反應(yīng)曲線法參數(shù)整定，可得常規(guī)控制器的參數(shù)為 經(jīng)調(diào)整，實際采用的參數(shù)是,3.5 純滯后補償控制系統(tǒng),產(chǎn)品成分Xd的設(shè)定值作1%階躍變化時，PI控制和史密斯預(yù)估補償控制時的響應(yīng)曲線,進料流量F作22%階躍變化時， PI控制和史密斯預(yù)估補償控制時的響應(yīng)曲線,史密斯預(yù)估補償控制有更好的控制效果； 隨動控制系統(tǒng)的效果要比定值控制系統(tǒng)的好。,PI控制,PI控制,史密斯控制,史密斯控制,第三章 先進控制技術(shù),主要內(nèi)容,3.1 基于模型的預(yù)測控制 3.2 解耦控制系統(tǒng) 3.3 軟測量技術(shù) 3.4 自適應(yīng)控制 3.5 純滯后補償控制系統(tǒng) 3.6

33、綜合自動化系統(tǒng),3.10 綜合自動化系統(tǒng),3.10.1 綜合自動化的意義 綜合自動化、計算機集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing Systems,CIMS）和計算機集成過程系統(tǒng)（Computer Integrated Process Systems,CIPS）是3個涵義基本相同的術(shù)語。 美國的Joseph Harringtou于1973年在 Computer Integrated Manufacturing一書中提出了CIMS，并闡述了兩個基本概念： 企業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，即從市場分析、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、經(jīng)營管理、到銷售直至服務(wù)。是連接在一起的整體，需要統(tǒng)一考慮。 整個生產(chǎn)過程實質(zhì)上是一個數(shù)據(jù)采集、傳遞和加工的過程，最后形成的產(chǎn)品可看做是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)。,3