【正文】 ? 例：反應釜的單回路控制、串級控制 出料進料冷卻劑TC出料進料冷卻劑TCTC第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 102 551 串級控制系統(tǒng) ? 例：加熱爐的串級控制 TCTC燃料油進料出料FCTC進料出料燃料油TC進料出料燃料油PC第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 103 ? 前饋控制系統(tǒng)的基本思想：不變性原理 ? 主要特點 – 是一個開環(huán)系統(tǒng) – 應用前提是擾動可測 – 只能針對某一特定的干擾實施控制 ? 較少單獨使用，一般結(jié)合反饋控制，構(gòu)成前饋 反饋（ FeedforwordFeedback)控制 552 前饋控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 104 ? 典型的前饋 反饋控制系統(tǒng) Gf (s) Gd (s) D/A G (s) PID A/D r e uc y 擾動 d uf ub )()()(sGsGsG df ??552 前饋控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 105 ? 前饋 反饋控制算法的流程 –計算反饋控制的偏差 e(k)； –計算反饋控制器 (PID)的輸出 ub (k)； –計算前饋控制器 Gf (s)的輸出 uf (k)； –計算前饋－反饋調(diào)節(jié)器的輸出 uc (k)。 ? 前饋 反饋控制系統(tǒng)往往可以取得較好的控制效果 ， 實際中也常采用前饋 串級控制 。 552 前饋控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 106 552 前饋控制系統(tǒng) 凝液 蒸 汽 QC ? 例：換熱器前饋控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 107 552 前饋控制系統(tǒng) ? 例：精餾塔前饋 反饋控制系統(tǒng) DFBFC FCTCTC第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 108 553 純滯后補償控制系統(tǒng) ? 史密斯 (Smith)純滯后補償器基本思想 –建立過程的動態(tài)特性的模型； –將模型加入到反饋控制系統(tǒng)中，有延遲的一部分用于抵消被延遲了 τ 的被控量； –無延遲部分反映到調(diào)節(jié)器，讓調(diào)節(jié)器提前動作，從而可明顯地減少超調(diào)量和加快調(diào)節(jié)過程。 ? 預估 是純滯后控制中的基本方法 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 109 ? 史密斯 (Smith)純滯后補償器 Gc(s) Gp(s) Gp(s) r d u y y39。 Gs(s) 史密斯預估控制系統(tǒng)示意框圖 m q e se ??y?553 純滯后補償控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 110 ? 史密斯 (Smith)純滯后補償器 –圖中虛框即為史密斯預估器 ， 其等效傳遞函數(shù)Gs (s)為 Gs (s)=Gp(s)(1－ ) ? 閉環(huán)傳遞函數(shù)為 se ??spcpcesGsGsGsGsG ????)()(1)()()(553 純滯后補償控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 111 ? 史密斯 (Smith)純滯后補償控制系統(tǒng)實施 ? 純滯后的表示 – 設 采樣周期為 T，則由于純滯后 τ的存在，信號要延遲 N 個周期 – 內(nèi)存中設 N 個單元存放信號 m(k)的歷史數(shù)據(jù) – 第 N 號單元里的內(nèi)容即為 m(k)滯后 N 個采樣周期后的信號 q(q=m(kN))。 TN ??553 純滯后補償控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 112 ? 史密斯 (Smith)純滯后補償控制系統(tǒng)實施 ? 史密斯預估控制系統(tǒng)的計算順序 – 計算反饋回路的偏差 e(k)： – 控制器的輸出 u(k)： – 史密斯預估器的輸出： )(?)()()()()( kykykrkykrke ??????)()1()( kukuku ????)()(? Nkmkmy ???553 純滯后補償控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 113 ? 史密斯 (Smith)純滯后補償控制系統(tǒng)實施 ? 前面式中的 m(k)根據(jù)被控對象的數(shù)學模型Gp (s)的差分形式和控制器的輸出 u(k)計算得到。 ? 教材中給出了對象為一階加純滯后的 史密斯 (Smith)預估器 控制算式。 553 純滯后補償控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 114 553 純滯后補償控制系統(tǒng) ? Smith預估控制器仿真例 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 115 ? 史密斯 (Smith)預估器的不足 –對系統(tǒng)受到的負荷干擾無補償作用； –控制效果嚴重依賴于對象的動態(tài)模型精度，特別是純滯后時間。 ? 改進算法 –加入自適應功能等 ? 多回路控制也可與 PID改進算法結(jié)合應用 553 純滯后補償控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 116 先進控制方案 ? 預測控制 ? 專家系統(tǒng) Advanced Control Scheme 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 117 561 預測控制 ? 預測控制由來 ?工業(yè)過程的特點 多變量、非線性、強耦合 、不確定性、約束 ?現(xiàn)代控制理論與方法 精確的數(shù)學模型、最優(yōu)的性能指標 、系統(tǒng)而精確的設計方法 ?工業(yè)過程對控制的要求 高質(zhì)量的控制性能 、對模型要求不高、實現(xiàn)方便 、強魯棒性 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 118 561 預測控制 ? 預測控制特點 ?一類用計算機實現(xiàn)的最優(yōu)控制算法 ?建模方便，不需要深入了解過程內(nèi)部機理 ?非最小化描述的離散卷積模型，有利于提高系統(tǒng)的魯棒性 ?滾動優(yōu)化策略，較好的動態(tài)控制效果 ?簡單實用的模型校正方法，較強的魯棒性 ?可推廣應用于帶約束、大純滯后、非最小相位、多輸入多輸出、非線性等過程 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 119 561 預測控制 ? 預測控制基本原理 ?預測模型 ?滾動優(yōu)化 ?反饋校正 + _受控過程動態(tài)預測模型模型輸出反饋校正在線優(yōu)化控制器+_++r ( k ) y ( k )u ( k )d ( k )y ( k | k )y ( k + j| k )第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 120 561 預測控制 k k+mk j過去當前未來控制時域預測時域k+py ( k j )u ( k j )y1 ( k+j|k )y2 ( k+j|k )u1 ( k+j|k )u2 ( k+j|k )模型輸出預測 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 121 561 預測控制 ? 滾動優(yōu)化 ?優(yōu)化目的 通過使某一性能指標 J 極小化，以確定未來的控制作用 u(k+j|k)。指標 J 希望 模型預測輸出盡可能趨近于參考軌跡 ?優(yōu)化過程 滾動優(yōu)化在線反復進行。優(yōu)化目標只關(guān)心預測時域內(nèi)系統(tǒng)的動態(tài)性能，而且只將 u(k|k)施加于被控過程 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 122 561 預測控制 滾動優(yōu)化 k k+mk j過去當前未來控制時域預測時域k+py ( k j )u ( k j )y ( k+j| k )u ( k+j| k )設定值軌跡第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 123 561 預測控制 ? 反饋校正 每到一個新的采樣時刻，都要通過實際測到的輸出信息對基于模型的預測輸出進行修正，然后再進行新的優(yōu)化。不斷根據(jù)系統(tǒng)的實際輸出對預測輸出值作出修正使?jié)L動優(yōu)化不但基于模型，而且利用了反饋信息，構(gòu)成閉環(huán)優(yōu)化 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 124 561 預測控制 反饋校正 kk j k+py ( k j )u ( k j )ym ( k+j| k )u ( k+j )yp ( k+j| k 1 )y ( k )yp( k|k 1 )d ( k )第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 125 ? 常見預測控制方案 561 預測控制 ? 動態(tài)矩陣控制 (Cutler et al, 1980) （ Dynamic Matrix Control, DMC） ? 模型算法控制 (Richalet et al, 1978) （ Model Algorithm Control, MAC） ? 廣義預測控制 (Clarke et al, 1987) （ Generalized Predictive Control, GPC） ? 預測函數(shù)控制 (Adersa et al, 1987) （ Predictive Functional Control, PFC） 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 126 ? 預測控制發(fā)展 561 預測控制 ? 單輸入單輸出（ SISO） 多輸入多輸出（ MIMO） ? 無約束 有約束 ? 輸入輸出方系統(tǒng) 非方系統(tǒng) ? 線性 非線性 ? 常規(guī)預測控制 魯棒預測控制 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 127 561 預測控制 ? 商品化預測控制軟件 公司 產(chǎn)品名 產(chǎn)品功能Ad e r s aH ie ConP F C遞階約束控制預測函數(shù)控制D MCD MCD MI動態(tài)矩陣控制動態(tài)矩陣辨識H on e y we llP r ofim a t icsR MP CAP CT魯棒模型預測控制技術(shù)預測控制技術(shù)S e t p oin t S MCA 多變量控制軟件包第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 128 562 專家系統(tǒng) ? 專家系統(tǒng)概述 ? 專家系統(tǒng)應用分類 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 129 ? 專家系統(tǒng)特點： 啟發(fā)性 透明性 靈活性 ? 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 專家 接口 Ⅱ 知識獲取 知識庫 推理機 數(shù)據(jù)庫 解釋 接口 Ⅰ 環(huán)境 562 專家系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 130 ? 專家系統(tǒng)建造步驟 ?確認 ?概念化 ?形式化 ?實現(xiàn) ?測試 重新設計 精煉 確認問題特征 找 出 表 示知 識 的 概念 設 計 組 織知 識 的 結(jié)構(gòu) 形成可 運行程序 評價建造的系統(tǒng) 需求 概念 結(jié)構(gòu)化 測試 實現(xiàn) 重新公式化 562 專家系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 131 本章小結(jié) ? 數(shù)字控制器的設計技術(shù) ? 數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理 ? 數(shù)控技術(shù)基礎 ? 數(shù)字 PID控制算法 ? 常規(guī)控制方案 ? 先進控制方案 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計算機控制技術(shù) 132 第 5章 結(jié)束 THE End