《過(guò)程控制工程》配套教學(xué)PPT課件,過(guò)程控制工程,過(guò)程,控制工程,配套,教學(xué),PPT,課件 第三章 先進(jìn)控制系統(tǒng)第一節(jié)第一節(jié) 狀態(tài)反饋控制狀態(tài)反饋控制 在有些系統(tǒng)中，狀態(tài)變量是可以直接測(cè)量的，例如圖示系統(tǒng)中，操縱變量是液體流入量q，而h1、h2和h3這三個(gè)液位信號(hào)都可作為狀態(tài)變量，系統(tǒng)方程是qh1 Qoh2h3R3C3C2R2R1C1n n寫成這樣的標(biāo)準(zhǔn)形式A=設(shè)設(shè)h3作為輸出變量作為輸出變量y，則在則在yCx式中式中 為了控制最下面一個(gè)貯槽的液位為了控制最下面一個(gè)貯槽的液位h h3 3，可以有，可以有各種方法：各種方法：n n取取y y3 3為被控變量，為被控變量，q q為操縱變量，構(gòu)成簡(jiǎn)單控制為操縱變量，構(gòu)成簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)是三階的，過(guò)程滯后較大。系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)是三階的，過(guò)程滯后較大。n n取取y y3 3為主被控變量，為主被控變量，y y2 2或（及）或（及）y y1 1為副被控變量，為副被控變量，構(gòu)成液位液位串級(jí)控制系統(tǒng)。構(gòu)成液位液位串級(jí)控制系統(tǒng)。n n在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在控制器輸出端加上在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在控制器輸出端加上來(lái)自來(lái)自h h1 1和和h h2 2的輔助變量信號(hào)。這種引入輔助變量的輔助變量信號(hào)。這種引入輔助變量的系統(tǒng)，能與串級(jí)控制系統(tǒng)一樣及早地發(fā)現(xiàn)某些的系統(tǒng)，能與串級(jí)控制系統(tǒng)一樣及早地發(fā)現(xiàn)某些擾動(dòng)的影響，并使過(guò)渡過(guò)程的動(dòng)態(tài)指標(biāo)有所改進(jìn)。擾動(dòng)的影響，并使過(guò)渡過(guò)程的動(dòng)態(tài)指標(biāo)有所改進(jìn)。與第（3）種方法相似，我們可以直接取狀態(tài)變量進(jìn)行反饋，即取 式中的K為反饋矩陣，設(shè)令x為n維，u為m維，則K是一個(gè)多維矩陣，n n其元素kij一般為系數(shù)，必要時(shí)也可包括動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。如果某一狀態(tài)變量x不好測(cè)得，或其他原因未進(jìn)行反饋，則K矩陣中第j列的元素為零。n n狀態(tài)反饋系統(tǒng)的框圖見圖 C K u x yx=Ax+Bun n設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是決定反饋向量K。通常有兩種方法：n n（a）以實(shí)現(xiàn)線性二次型最優(yōu)性能指標(biāo)為目標(biāo)求K。這一方法最終歸結(jié)為Riccati方程的求解，稱線性最優(yōu)控制。n n（b）零極點(diǎn)配置方法。它是通過(guò)選取狀態(tài)反饋陣K，使閉環(huán)系統(tǒng)的特征值滿足給定的要求，從而實(shí)現(xiàn)期望的閉環(huán)響應(yīng)。n n示例：n n要求極點(diǎn)：-2,-1+j,-1-jn n設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋求k1,k2,k3=n n要求；第一節(jié)第一節(jié) 狀態(tài)反饋控制狀態(tài)反饋控制 一、狀態(tài)反饋和極點(diǎn)控制一、狀態(tài)反饋和極點(diǎn)控制1.1.控制系統(tǒng)的描述控制系統(tǒng)的描述 狀態(tài)空間表達(dá)式狀態(tài)空間表達(dá)式 傳遞函數(shù)矩陣傳遞函數(shù)矩陣 輸入輸出差分方程輸入輸出差分方程2.2.狀態(tài)反饋和輸出反饋狀態(tài)反饋和輸出反饋3.3.極點(diǎn)配置極點(diǎn)配置4.4.狀態(tài)反饋矩陣狀態(tài)反饋矩陣K K的計(jì)算的計(jì)算 AckermannAckermann公式直接計(jì)算狀態(tài)反饋矩陣公式直接計(jì)算狀態(tài)反饋矩陣 控制器規(guī)范型系統(tǒng)狀態(tài)反饋矩陣控制器規(guī)范型系統(tǒng)狀態(tài)反饋矩陣K K的計(jì)算的計(jì)算二、狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程二、狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用中的問(wèn)題應(yīng)用中的問(wèn)題1.1.消除控制系統(tǒng)的余差消除控制系統(tǒng)的余差2.2.狀態(tài)變量的獲取狀態(tài)變量的獲取3.3.閉環(huán)極點(diǎn)的確定閉環(huán)極點(diǎn)的確定第二節(jié)第二節(jié) 預(yù)測(cè)控制預(yù)測(cè)控制一、預(yù)測(cè)控制的基本特征一、預(yù)測(cè)控制的基本特征1.1.基本概念基本概念2.2.預(yù)測(cè)控制的基本算法預(yù)測(cè)控制的基本算法 預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)模型 反饋校正反饋校正 滾動(dòng)優(yōu)化滾動(dòng)優(yōu)化 參考軌線參考軌線二、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)施時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題二、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)施時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題1.1.穩(wěn)態(tài)余差穩(wěn)態(tài)余差2.2.參數(shù)選擇參數(shù)選擇3.3.具有時(shí)滯或反向特性系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制具有時(shí)滯或反向特性系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制4.4.反饋校正和過(guò)程病態(tài)的消除反饋校正和過(guò)程病態(tài)的消除5.5.約束的表示約束的表示6.6.輸入輸出軌跡輸入輸出軌跡三、三、預(yù)測(cè)控制算法預(yù)測(cè)控制算法第三節(jié)第三節(jié) 解耦控制解耦控制一、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析和相對(duì)增益一、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析和相對(duì)增益1.1.多變量控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)多變量控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)2.2.相對(duì)增益陣列相對(duì)增益陣列 兩個(gè)增益兩個(gè)增益 相對(duì)增益相對(duì)增益 相對(duì)增益的特點(diǎn)相對(duì)增益的特點(diǎn) 多輸入多輸出系統(tǒng)的相對(duì)增益陣列多輸入多輸出系統(tǒng)的相對(duì)增益陣列二、解耦控制的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用中的問(wèn)題二、解耦控制的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用中的問(wèn)題1.1.解耦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則解耦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則2.2.減少與解除耦合的途徑減少與解除耦合的途徑3.3.串接解耦裝置的設(shè)計(jì)串接解耦裝置的設(shè)計(jì)4.4.工程應(yīng)用中的有關(guān)問(wèn)題工程應(yīng)用中的有關(guān)問(wèn)題 其他控制器的影響其他控制器的影響 動(dòng)態(tài)耦合的影響動(dòng)態(tài)耦合的影響 偏置值的設(shè)置和解耦裝置的簡(jiǎn)化偏置值的設(shè)置和解耦裝置的簡(jiǎn)化第四節(jié)第四節(jié) 軟測(cè)量和推斷控制軟測(cè)量和推斷控制一、軟測(cè)量技術(shù)一、軟測(cè)量技術(shù)1.1.軟測(cè)量技術(shù)概述軟測(cè)量技術(shù)概述2.2.回歸法建?；貧w法建模3.3.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建模人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建模4.4.模型的校正模型的校正5.5.示例示例二、推斷控制系統(tǒng)二、推斷控制系統(tǒng)1.1.推斷控制基本原理推斷控制基本原理 信號(hào)分離信號(hào)分離 估計(jì)器估計(jì)器E(sE(s)推斷控制器推斷控制器2.2.推斷反饋控制推斷反饋控制 主要被控變量主要被控變量y y不可測(cè)時(shí)的推斷反饋控制不可測(cè)時(shí)的推斷反饋控制 主要被控變量主要被控變量y y可測(cè)時(shí)的推斷反饋控制可測(cè)時(shí)的推斷反饋控制第五節(jié)第五節(jié) 自適應(yīng)控制和魯棒控制自適應(yīng)控制和魯棒控制一、自適應(yīng)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和類型一、自適應(yīng)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和類型1.1.自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2.2.自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本類型自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本類型3.3.過(guò)程辨識(shí)的實(shí)驗(yàn)方法過(guò)程辨識(shí)的實(shí)驗(yàn)方法二、簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制系統(tǒng)二、簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制系統(tǒng)1.1.依據(jù)偏差自動(dòng)調(diào)整控制器參數(shù)依據(jù)偏差自動(dòng)調(diào)整控制器參數(shù)2.2.依據(jù)擾動(dòng)自動(dòng)調(diào)整控制器參數(shù)依據(jù)擾動(dòng)自動(dòng)調(diào)整控制器參數(shù)三、自整定控制器三、自整定控制器1.1.繼電器型自整定控制器繼電器型自整定控制器2.2.波形識(shí)別自整定控制器波形識(shí)別自整定控制器四、自校正控制器四、自校正控制器1.1.自校正控制器的基本結(jié)構(gòu)自校正控制器的基本結(jié)構(gòu)2.2.最小方差控制器最小方差控制器五、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)五、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)1.1.模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2.2.參數(shù)最優(yōu)化方法參數(shù)最優(yōu)化方法3.3.基于李亞普諾夫穩(wěn)定性理論的方法基于李亞普諾夫穩(wěn)定性理論的方法六、魯棒控制六、魯棒控制第六節(jié)第六節(jié) 時(shí)滯補(bǔ)償控制時(shí)滯補(bǔ)償控制一、一、SmithSmith預(yù)估補(bǔ)償控制預(yù)估補(bǔ)償控制1.1.Smith Smith 預(yù)估補(bǔ)償控制原理預(yù)估補(bǔ)償控制原理2.2.實(shí)施實(shí)施SmithSmith預(yù)估補(bǔ)償控制時(shí)的注意事項(xiàng)預(yù)估補(bǔ)償控制時(shí)的注意事項(xiàng)3.3.內(nèi)?？刂苾?nèi)?？刂贫⑵渌麜r(shí)滯補(bǔ)償控制系統(tǒng)二、其他時(shí)滯補(bǔ)償控制系統(tǒng)1.1.增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制2.2.觀測(cè)補(bǔ)償控制觀測(cè)補(bǔ)償控制 觀測(cè)器的基本原理觀測(cè)器的基本原理 觀測(cè)補(bǔ)償控制系統(tǒng)的分析觀測(cè)補(bǔ)償控制系統(tǒng)的分析 實(shí)施時(shí)的注意事項(xiàng)實(shí)施時(shí)的注意事項(xiàng)3.3.預(yù)估校正控制系統(tǒng)預(yù)估校正控制系統(tǒng) 控制方案控制方案 性能分析性能分析 實(shí)施中的問(wèn)題實(shí)施中的問(wèn)題第七節(jié)第七節(jié) 智能控制智能控制一、智能控制概述一、智能控制概述二、專家系統(tǒng)二、專家系統(tǒng)1.1.專家系統(tǒng)概述專家系統(tǒng)概述2.2.知識(shí)表示知識(shí)表示3.3.推理機(jī)制推理機(jī)制三、模糊控制三、模糊控制1.1.模糊理論基礎(chǔ)模糊理論基礎(chǔ) 隸屬函數(shù)和模糊集隸屬函數(shù)和模糊集 模糊集運(yùn)算模糊集運(yùn)算2.2.模糊控制和模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊控制和模糊控制器的設(shè)計(jì) 模糊控制器基本結(jié)構(gòu)模糊控制器基本結(jié)構(gòu) 模糊控制知識(shí)表述模糊控制知識(shí)表述 基本模糊控制器的設(shè)計(jì)基本模糊控制器的設(shè)計(jì) 模糊控制器的分析模糊控制器的分析四、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制四、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制1.1.人工神經(jīng)元人工神經(jīng)元2.2.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3.3.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)化中的應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)化中的應(yīng)用第八節(jié)第八節(jié) 監(jiān)督控制監(jiān)督控制一、監(jiān)督控制概述一、監(jiān)督控制概述二、操作優(yōu)化控制二、操作優(yōu)化控制1.1.操作優(yōu)化的過(guò)程變量確定操作優(yōu)化的過(guò)程變量確定 目標(biāo)函數(shù)的確定目標(biāo)函數(shù)的確定 運(yùn)行變量運(yùn)行變量x x的確定的確定2.2.約束條件的確定約束條件的確定3.3.優(yōu)化算法的確定優(yōu)化算法的確定三、統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制三、統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制1.1.統(tǒng)計(jì)控制圖統(tǒng)計(jì)控制圖2.2.主元分析和部分最小二乘主元分析和部分最小二乘 主元分析主元分析 部分最小二乘部分最小二乘第九節(jié)第九節(jié) 故障檢測(cè)診斷和容錯(cuò)控制故障檢測(cè)診斷和容錯(cuò)控制一、故障檢測(cè)診斷的基本概念一、故障檢測(cè)診斷的基本概念1.1.基本概念基本概念2.2.故障檢測(cè)和診斷的主要方法故障檢測(cè)和診斷的主要方法 基于動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的方法基于動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的方法 基于知識(shí)的方法基于知識(shí)的方法二、工況監(jiān)測(cè)控制二、工況監(jiān)測(cè)控制三、容錯(cuò)控制三、容錯(cuò)控制1.1.容錯(cuò)控制的意義容錯(cuò)控制的意義2.2.幾類利用冗余信息的容錯(cuò)控制系統(tǒng)幾類利用冗余信息的容錯(cuò)控制系統(tǒng) 不設(shè)置不設(shè)置FDDFDD裝置的容錯(cuò)控制系統(tǒng)裝置的容錯(cuò)控制系統(tǒng) 基于故障檢測(cè)和診斷的容錯(cuò)控制基于故障檢測(cè)和診斷的容錯(cuò)控制第十節(jié)第十節(jié) 綜合自動(dòng)化綜合自動(dòng)化一、綜合自動(dòng)化的意義一、綜合自動(dòng)化的意義整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)采集、傳遞和加工的過(guò)程整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)采集、傳遞和加工的過(guò)程最后形成的產(chǎn)品可以看作是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)最后形成的產(chǎn)品可以看作是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)二、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的的特點(diǎn)二、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的的特點(diǎn)遞階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遞階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成和信息集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成和信息集成控制和管理一體化控制和管理一體化三、現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)三、現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線共有八類現(xiàn)場(chǎng)總線共有八類現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)把控制功能徹底分散現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)把控制功能徹底分散現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)軟件包括：現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)軟件包括：現(xiàn)場(chǎng)總線組態(tài)軟件、維護(hù)軟件、仿真軟件、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理軟件等現(xiàn)場(chǎng)總線組態(tài)軟件、維護(hù)軟件、仿真軟件、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理軟件等返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回預(yù)測(cè)控制基本結(jié)構(gòu)圖返回返回返回返回預(yù)測(cè)控制的優(yōu)點(diǎn)返回返回下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)返回返回返回返回返回下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)示例返回返回上一頁(yè)下一頁(yè)示例返回返回上一頁(yè)示例返回程序返回返回返回下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)示例結(jié)論返回返回返回上一頁(yè)返回下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一頁(yè)返回返回示例返回返回返回下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一頁(yè)返回下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一頁(yè)返回下一頁(yè)返回上一頁(yè)返回返回返回下一頁(yè)返回上一頁(yè)返回下一頁(yè)示例返回返回上一頁(yè)返回下一頁(yè)返回上一頁(yè)參數(shù)估計(jì)返回下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)返回返回下一頁(yè)返回上一頁(yè)返回返回返回