《過程控制工程》配套教學PPT課件

《過程控制工程》配套教學PPT課件,過程控制工程,過程,控制工程,配套,教學,PPT,課件 第三章 先進控制系統(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這三個液位信號都可作為狀態(tài)變量，系統(tǒng)方程是qh1 Qoh2h3R3C3C2R2R1C1n n寫成這樣的標準形式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貯槽的液位為了控制最下面一個貯槽的液位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)成簡單控制為操縱變量，構(gòu)成簡單控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)是三階的，過程滯后較大。系統(tǒng)。這個系統(tǒng)是三階的，過程滯后較大。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)成液位液位串級控制系統(tǒng)。構(gòu)成液位液位串級控制系統(tǒng)。n n在簡單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在控制器輸出端加上在簡單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在控制器輸出端加上來自來自h h1 1和和h h2 2的輔助變量信號。這種引入輔助變量的輔助變量信號。這種引入輔助變量的系統(tǒng)，能與串級控制系統(tǒng)一樣及早地發(fā)現(xiàn)某些的系統(tǒng)，能與串級控制系統(tǒng)一樣及早地發(fā)現(xiàn)某些擾動的影響，并使過渡過程的動態(tài)指標有所改進。擾動的影響，并使過渡過程的動態(tài)指標有所改進。與第（3）種方法相似，我們可以直接取狀態(tài)變量進行反饋，即取 式中的K為反饋矩陣，設(shè)令x為n維，u為m維，則K是一個多維矩陣，n n其元素kij一般為系數(shù)，必要時也可包括動態(tài)環(huán)節(jié)。如果某一狀態(tài)變量x不好測得，或其他原因未進行反饋，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）以實現(xiàn)線性二次型最優(yōu)性能指標為目標求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）零極點配置方法。它是通過選取狀態(tài)反饋陣K，使閉環(huán)系統(tǒng)的特征值滿足給定的要求，從而實現(xiàn)期望的閉環(huán)響應。n n示例：n n要求極點：-2,-1+j,-1-jn n設(shè)計狀態(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)反饋和極點控制一、狀態(tài)反饋和極點控制1.1.控制系統(tǒng)的描述控制系統(tǒng)的描述 狀態(tài)空間表達式狀態(tài)空間表達式 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.極點配置極點配置4.4.狀態(tài)反饋矩陣狀態(tài)反饋矩陣K K的計算的計算 AckermannAckermann公式直接計算狀態(tài)反饋矩陣公式直接計算狀態(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的計算的計算二、狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計和工程二、狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計和工程應用中的問題應用中的問題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)極點的確定閉環(huán)極點的確定第二節(jié)第二節(jié) 預測控制預測控制一、預測控制的基本特征一、預測控制的基本特征1.1.基本概念基本概念2.2.預測控制的基本算法預測控制的基本算法 預測模型預測模型 反饋校正反饋校正 滾動優(yōu)化滾動優(yōu)化 參考軌線參考軌線二、預測控制系統(tǒng)實施時應注意的問題二、預測控制系統(tǒng)實施時應注意的問題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.具有時滯或反向特性系統(tǒng)的預測控制具有時滯或反向特性系統(tǒng)的預測控制4.4.反饋校正和過程病態(tài)的消除反饋校正和過程病態(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、預測控制算法預測控制算法第三節(jié)第三節(jié) 解耦控制解耦控制一、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析和相對增益一、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析和相對增益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.相對增益陣列相對增益陣列 兩個增益兩個增益 相對增益相對增益 相對增益的特點相對增益的特點 多輸入多輸出系統(tǒng)的相對增益陣列多輸入多輸出系統(tǒng)的相對增益陣列二、解耦控制的設(shè)計和工程應用中的問題二、解耦控制的設(shè)計和工程應用中的問題1.1.解耦控制系統(tǒng)設(shè)計原則解耦控制系統(tǒng)設(shè)計原則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)計串接解耦裝置的設(shè)計4.4.工程應用中的有關(guān)問題工程應用中的有關(guān)問題 其他控制器的影響其他控制器的影響 動態(tài)耦合的影響動態(tài)耦合的影響 偏置值的設(shè)置和解耦裝置的簡化偏置值的設(shè)置和解耦裝置的簡化第四節(jié)第四節(jié) 軟測量和推斷控制軟測量和推斷控制一、軟測量技術(shù)一、軟測量技術(shù)1.1.軟測量技術(shù)概述軟測量技術(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 信號分離信號分離 估計器估計器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不可測時的推斷反饋控制不可測時的推斷反饋控制 主要被控變量主要被控變量y y可測時的推斷反饋控制可測時的推斷反饋控制第五節(jié)第五節(jié) 自適應控制和魯棒控制自適應控制和魯棒控制一、自適應控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和類型一、自適應控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和類型1.1.自適應控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)自適應控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2.2.自適應控制系統(tǒng)的基本類型自適應控制系統(tǒng)的基本類型3.3.過程辨識的實驗方法過程辨識的實驗方法二、簡單自適應控制系統(tǒng)二、簡單自適應控制系統(tǒng)1.1.依據(jù)偏差自動調(diào)整控制器參數(shù)依據(jù)偏差自動調(diào)整控制器參數(shù)2.2.依據(jù)擾動自動調(diào)整控制器參數(shù)依據(jù)擾動自動調(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.波形識別自整定控制器波形識別自整定控制器四、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、模型參考自適應控制系統(tǒng)五、模型參考自適應控制系統(tǒng)1.1.模型參考自適應控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模型參考自適應控制系統(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) 時滯補償控制時滯補償控制一、一、SmithSmith預估補償控制預估補償控制1.1.Smith Smith 預估補償控制原理預估補償控制原理2.2.實施實施SmithSmith預估補償控制時的注意事項預估補償控制時的注意事項3.3.內(nèi)?？刂苾?nèi)?？刂贫?、其他時滯補償控制系統(tǒng)二、其他時滯補償控制系統(tǒng)1.1.增益自適應補償控制增益自適應補償控制2.2.觀測補償控制觀測補償控制 觀測器的基本原理觀測器的基本原理 觀測補償控制系統(tǒng)的分析觀測補償控制系統(tǒng)的分析 實施時的注意事項實施時的注意事項3.3.預估校正控制系統(tǒng)預估校正控制系統(tǒng) 控制方案控制方案 性能分析性能分析 實施中的問題實施中的問題第七節(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.知識表示知識表示3.3.推理機制推理機制三、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 模糊集運算模糊集運算2.2.模糊控制和模糊控制器的設(shè)計模糊控制和模糊控制器的設(shè)計 模糊控制器基本結(jié)構(gòu)模糊控制器基本結(jié)構(gòu) 模糊控制知識表述模糊控制知識表述 基本模糊控制器的設(shè)計基本模糊控制器的設(shè)計 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)在自動化中的應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自動化中的應用第八節(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)化的過程變量確定操作優(yōu)化的過程變量確定 目標函數(shù)的確定目標函數(shù)的確定 運行變量運行變量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)計過程控制三、統(tǒng)計過程控制1.1.統(tǒng)計控制圖統(tǒng)計控制圖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) 故障檢測診斷和容錯控制故障檢測診斷和容錯控制一、故障檢測診斷的基本概念一、故障檢測診斷的基本概念1.1.基本概念基本概念2.2.故障檢測和診斷的主要方法故障檢測和診斷的主要方法 基于動態(tài)數(shù)學模型的方法基于動態(tài)數(shù)學模型的方法 基于知識的方法基于知識的方法二、工況監(jiān)測控制二、工況監(jiān)測控制三、容錯控制三、容錯控制1.1.容錯控制的意義容錯控制的意義2.2.幾類利用冗余信息的容錯控制系統(tǒng)幾類利用冗余信息的容錯控制系統(tǒng) 不設(shè)置不設(shè)置FDDFDD裝置的容錯控制系統(tǒng)裝置的容錯控制系統(tǒng) 基于故障檢測和診斷的容錯控制基于故障檢測和診斷的容錯控制第十節(jié)第十節(jié) 綜合自動化綜合自動化一、綜合自動化的意義一、綜合自動化的意義整個生產(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、綜合自動化系統(tǒng)的的特點二、綜合自動化系統(tǒng)的的特點遞階系統(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)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)三、現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線共有八類現(xiàn)場總線共有八類現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)把控制功能徹底分散現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)把控制功能徹底分散現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)軟件包括：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)軟件包括：現(xiàn)場總線組態(tài)軟件、維護軟件、仿真軟件、現(xiàn)場設(shè)備管理軟件等現(xiàn)場總線組態(tài)軟件、維護軟件、仿真軟件、現(xiàn)場設(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測控制基本結(jié)構(gòu)圖返回返回返回返回預測控制的優(yōu)點返回返回下一頁下一頁上一頁上一頁返回返回返回返回返回下一頁返回上一頁下一頁返回上一頁下一頁示例返回返回上一頁下一頁示例返回返回上一頁示例返回程序返回返回返回下一頁返回上一頁下一頁返回上一頁下一頁示例結(jié)論返回返回返回上一頁返回下一頁返回上一頁下一頁返回上一頁返回返回示例返回返回返回下一頁返回上一頁下一頁返回上一頁下一頁返回上一頁返回下一頁返回上一頁下一頁返回上一頁下一頁返回上一頁返回下一頁返回上一頁返回返回返回下一頁返回上一頁返回下一頁示例返回返回上一頁返回下一頁返回上一頁參數(shù)估計返回下一頁返回上一頁下一頁返回上一頁下一頁返回上一頁下一頁返回上一頁下一頁上一頁返回返回下一頁返回上一頁返回返回返回