復(fù)雜過程控制系統(tǒng)7

第八章復(fù)雜過程控制系統(tǒng)

第八章復(fù)雜過程控制系統(tǒng)

第八章復(fù)雜過程控制系統(tǒng)熟悉自適應(yīng)控制系統(tǒng)的工作原理與性能特點(diǎn)了解解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法了解專家系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)方法第八章復(fù)雜過程控制系統(tǒng)對(duì)于這類生產(chǎn)過程，采用之前介紹的常規(guī)控制方案往往不能獲得令人滿意的控制效果，甚至還可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失控。一、自適應(yīng)控制系統(tǒng)前面介紹過的控制系統(tǒng)，均指控制器有固定參數(shù)的系統(tǒng)。實(shí)際上，復(fù)雜的工藝過程往往具有不確定性（如環(huán)境結(jié)構(gòu)和參數(shù)的未知性、時(shí)變性、隨機(jī)性、突變性等）。為了解決在被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)存在不確定性時(shí)，系統(tǒng)仍能自動(dòng)地工作于最優(yōu)或接近于最優(yōu)的狀態(tài)，就提出了自適應(yīng)控制，它是辨識(shí)技術(shù)與控制技術(shù)的結(jié)合。對(duì)于這類生產(chǎn)過程，采用之前介紹的常規(guī)控制方案往往不能獲得令人三是具有自動(dòng)調(diào)整控制器的控制規(guī)律或參數(shù)的能力。自適應(yīng)控制是建立在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型參數(shù)未知的基礎(chǔ)上，在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)本身不斷測(cè)量被控系統(tǒng)的參數(shù)或運(yùn)行指標(biāo)，根據(jù)參數(shù)或運(yùn)行指標(biāo)的變化，改變控制參數(shù)或控制作用，以適應(yīng)其特性的變化，保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)下。一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)至少應(yīng)包含有以下三個(gè)部分：一是具有一個(gè)檢測(cè)或估計(jì)環(huán)節(jié)，目的是監(jiān)視整個(gè)過程和環(huán)境，并能對(duì)消除噪聲后的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。通常是指對(duì)過程的輸入、輸出進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。二是具有衡量系統(tǒng)控制優(yōu)劣的性能指標(biāo)，并能夠測(cè)量或計(jì)算它們，以此來判斷系統(tǒng)是否偏離最優(yōu)狀態(tài)。三是具有自動(dòng)調(diào)整控制器的控制規(guī)律或參數(shù)的能力。自適應(yīng)控制是建根據(jù)其設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)的不同，主要包括：增益調(diào)度自適應(yīng)控制;模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng);自校正控制系統(tǒng)等。根據(jù)其設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)的不同，主要包括：關(guān)鍵是找出影響被控對(duì)象參數(shù)變化的輔助變量，并設(shè)計(jì)好輔助變量與最佳控制器增益的函數(shù)關(guān)系，讓控制器的參數(shù)按預(yù)編程的方式作為運(yùn)行條件的函數(shù)而改變。1．增益調(diào)度自適應(yīng)控制這是一種最為簡(jiǎn)單的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，主要通過監(jiān)測(cè)過程的運(yùn)行條件來改變控制器的參數(shù)，以此補(bǔ)償系統(tǒng)受環(huán)境等條件變化而造成對(duì)象參數(shù)變化的影響，故稱為增益調(diào)度自適應(yīng)控制。關(guān)鍵是找出影響被控對(duì)象參數(shù)變化的輔助變量，并設(shè)計(jì)好輔助變量與增益調(diào)度自適應(yīng)控制，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有快速的適應(yīng)能力.不足的是其參數(shù)補(bǔ)償按開環(huán)工作方式進(jìn)行，對(duì)不正確的調(diào)度沒有反饋補(bǔ)償功能，在設(shè)計(jì)時(shí)需具備較多的過程機(jī)理知識(shí)。增益調(diào)度自適應(yīng)控制，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有快速的適應(yīng)能力.模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要用于隨動(dòng)控制。這類控制的典型特征是參考模型與被控系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，參考模型表示了控制系統(tǒng)的性能要求。2．模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要用于隨動(dòng)控制。2．模型參考自適應(yīng)控這種方法的應(yīng)用關(guān)鍵是，如何將一個(gè)實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為模型參考自適應(yīng)問題。在模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，不需要專門的在線辨識(shí)裝置，主要是借助于目標(biāo)函數(shù)來調(diào)整可調(diào)參數(shù)，其實(shí)質(zhì)是設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的，同時(shí)具有較高性能的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)算法。這種方法的應(yīng)用關(guān)鍵是，如何將一個(gè)實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為模型參考自校正控制系統(tǒng)是自適應(yīng)控制中一個(gè)相當(dāng)活躍的分支。自校正控制系統(tǒng)是自適應(yīng)控制中一個(gè)相當(dāng)活躍的分支。對(duì)象的輸入信號(hào)x和輸出信號(hào)y送入?yún)?shù)估計(jì)器，在線識(shí)別出其數(shù)學(xué)模型，參數(shù)調(diào)整機(jī)構(gòu)根據(jù)辨識(shí)結(jié)果設(shè)計(jì)計(jì)算自校正控制規(guī)律和修改控制器參數(shù)，在對(duì)象參數(shù)受到干擾而發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)性能仍保持或接近最優(yōu)狀態(tài)，這種系統(tǒng)應(yīng)用較廣泛。自校正控制系統(tǒng)是在原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)外回路。外回路由參數(shù)估計(jì)器和參數(shù)調(diào)整機(jī)構(gòu)組成，用來調(diào)整控制器的參數(shù)。內(nèi)回路包括過程和普通線性反饋控制器。對(duì)象的輸入信號(hào)x和輸出信號(hào)y送入?yún)?shù)估計(jì)器，在線識(shí)別出其數(shù)學(xué)目前的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中，生產(chǎn)裝置往往不再是單一的回路控制，通常都需要設(shè)置若干個(gè)控制回路，才能對(duì)生產(chǎn)過程中的多個(gè)被控變量進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制。由于回路個(gè)數(shù)的增多，各控制回路之間就有可能存在某種程度的相互關(guān)聯(lián)和影響，從而構(gòu)成多輸入多輸出（MIMO）的耦合控制系統(tǒng)。二、解耦控制系統(tǒng)1．系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)目前的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中，生產(chǎn)裝置往往不再是單一的回路控制，通【精選】復(fù)雜過程控制系統(tǒng)7該系統(tǒng)中被控變量有兩個(gè)，分別是塔頂溫度T1和塔底溫度T2；操作變量也有兩個(gè)，即加熱蒸汽流量Q2和回流Q3。

T1C為塔頂溫度控制器，其輸出P1控制回流控制閥，控制塔頂?shù)幕亓髁?，?shí)現(xiàn)對(duì)塔頂溫度T1的控制。T2C為塔底溫度控制器，其輸出P2控制再沸器加熱蒸汽控制閥，控制加熱蒸汽流量Q2，實(shí)現(xiàn)對(duì)塔底溫度T2的控制。耦合現(xiàn)象的產(chǎn)生。當(dāng)塔頂溫度T1穩(wěn)定在給定值T1o上，如果某種干擾使塔底溫度T2偏離給定值T2o，假設(shè)降低，那么T2C的輸出P2必將發(fā)生變化，其結(jié)果是蒸汽控制閥開大，但是Q2的增加，又會(huì)導(dǎo)致T1升高。同理，當(dāng)T1偏離T1o時(shí)，也會(huì)帶動(dòng)T2偏離其給定值T2o。這是兩個(gè)變量相互耦合的情況，如果這種耦合嚴(yán)重，將影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該系統(tǒng)中被控變量有兩個(gè)，分別是塔頂溫度T1和塔底溫度相對(duì)增益便是用來衡量一個(gè)選定的操縱變量與其配對(duì)的被控變量間相互影響的尺度。2．相對(duì)增益在多變量過程控制系統(tǒng)中，雖然變量間互相關(guān)聯(lián)，然而總有一個(gè)操縱變量對(duì)某一被控變量的影響是最基本的，對(duì)其他被控變量的影響是次要的，這就是操縱變量與被控變量間的搭配關(guān)系，也就是常說的變量配對(duì)。它是相對(duì)于系統(tǒng)中其他操縱變量對(duì)該被控變量的影響來說的，又稱其為相對(duì)放大倍數(shù)。相對(duì)增益便是用來衡量一個(gè)選定的操縱變量與其配對(duì)的被控變量間相如果上述兩種情況下所求的開環(huán)增益沒有變化，就表明該通道與其他通道間不存在耦合。然后在所有其他回路都閉環(huán)的情況下，再找出該通道的開環(huán)增益。這兩種情況下的開環(huán)增益之比就定義為該通道的相對(duì)增益。當(dāng)兩種情況下所求的開環(huán)增益不相同時(shí)，則說明了各通道間有耦合。從上述的定性分析可以看出，相對(duì)增益的值反映了某個(gè)控制通道作用的強(qiáng)弱和其他通道對(duì)它的耦合的強(qiáng)弱，因此，可作為選擇控制通道和選擇解耦措施的依據(jù)。假設(shè)某一變量配對(duì)下的其他所有回路均為開環(huán)，找出該通道的開環(huán)增益；如果上述兩種情況下所求的開環(huán)增益沒有變化，就表明該通道1）選擇正確的變量配對(duì)3．減少與消除耦合的途徑2）調(diào)整控制器參數(shù)3）減少控制回路4）串接解耦裝置1）選擇正確的變量配對(duì)3．減少與消除耦合的途徑2）調(diào)整控制器三、專家系統(tǒng)1．專家系統(tǒng)的基本構(gòu)成專家系統(tǒng)是一種基于知識(shí)的系統(tǒng)，其內(nèi)部存有大量關(guān)于某一領(lǐng)域的專家水平的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，具有解決專門問題的能力。專家系統(tǒng)的主要功能取決于大量的知識(shí)以及合理、完備的智能推理機(jī)構(gòu)。三、專家系統(tǒng)1．專家系統(tǒng)的基本構(gòu)成專家系統(tǒng)是一種基于知識(shí)【精選】復(fù)雜過程控制系統(tǒng)7知識(shí)庫(kù)可看作是一個(gè)存儲(chǔ)器，它主要由規(guī)則庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分構(gòu)成。規(guī)則庫(kù)存儲(chǔ)著作為專家經(jīng)驗(yàn)的判斷性知識(shí)，用于問題的推理和求解；數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)問題的狀態(tài)、特性以及當(dāng)前的條件等，供推理和解釋機(jī)構(gòu)使用。知識(shí)庫(kù)通過“知識(shí)獲取”機(jī)構(gòu)與領(lǐng)域?qū)＜蚁嗦?lián)系，形成了專家系統(tǒng)與領(lǐng)域?qū)＜业娜藱C(jī)接口。知識(shí)獲取的過程，即實(shí)現(xiàn)了知識(shí)庫(kù)的修正更新，知識(shí)條目的測(cè)試、精煉等。知識(shí)庫(kù)可看作是一個(gè)存儲(chǔ)器，它主要由規(guī)則庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分構(gòu)成。2．專家系統(tǒng)的特點(diǎn)專家系統(tǒng)通過移植到計(jì)算機(jī)內(nèi)的相應(yīng)知識(shí)，模擬人類專家的推理決策過程。這一人工智能處理方法與常規(guī)的軟件程序相比，具有如下的顯著特征：1）專家系統(tǒng)是一種知識(shí)信息處理系統(tǒng)。2）專家系統(tǒng)具有高度靈活的問題求解能力。3）專家系統(tǒng)具有啟發(fā)性和透明性。2．專家系統(tǒng)的特點(diǎn)專家系統(tǒng)通過移植到計(jì)算機(jī)內(nèi)的相應(yīng)知識(shí)，模四、模糊控制系統(tǒng)模糊控制的思想是將操作人員長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)和描述，得到一種定性的控制規(guī)則，基于這些規(guī)則再進(jìn)行模糊推理，從而得到控制輸出。四、模糊控制系統(tǒng)模糊控制的思想是將操作人員長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加由于對(duì)一個(gè)模糊控制來說，輸入和輸出都是精確的數(shù)值，而模糊控制原理是采用人的思維，也就是按語言規(guī)則進(jìn)行推理，因此必須將輸入數(shù)據(jù)變換成語言值，這個(gè)過程稱為精確量的模糊化，然后進(jìn)行推理及控制規(guī)則的形成，最后將推理所得結(jié)果變換成實(shí)際的一個(gè)精確的控制值，即清晰化。2．模糊控制的幾種方法1）查表法