石油化工自动化及仪表概论18-新型控制系统课件

石油化工自动化及仪表,石油化工自动化及仪表,石油化工自动化及仪表概论18-新型控制系统课件,新型控制系统,新型控制系统,18.1,自适应控制系统,18.2,预测控制系统,18.3,智能控制系统与专家控制系统,18.4,模糊控制系统,18.5,神经元网络控制,18.6,故障检测与故障诊断,18.1 自适应控制系统,18.1,自适应控制系统,如果系统本身能够不断地测量被控对象的性能或参数，并把系统当前的运行指标与期望的性能指标相比较，进而改变控制器的结构或参数，就可以使系统运行在某种意义下的最优或次优状态。按照这样的思想建立的控制系统，称为自适应控制系统。,根据设计原理和结构的不同，自适应控制系统可分为以下几种形式。,18.1 自适应控制系统 如果系统本身能,18.1.1,变增益自适应控制系统,变增益自适应控制系统的结构如图,18-1,所示。当控制器的参数随工作状况和环境的变化而变化时，通过测量系统的某些变量，按照规定的程序可以改变控制器的增益结构。,图,18-1,变增益自适应控制系统结构,图,18.1.1 变增益自适应控制系统 变,模型参考自适应控制系统的结构如图,18-2,所示。图中，参考模型表示控制系统的性能要求，虚线框内的部分表示控制系统。,18.1.2,模型参考自适应控制系统,图,18-2,模型参考自适应控制系统结构,图,模型参考自适应控制系统的结构如图18,自校正控制系统也称为参数自适应系统，其结构如图,18-3,所示。该系统在原有控制系统的基础上，增加了一个外回路。它由对象参数辨识器和控制器参数计算机构组成。,18.1.3,自校正控制系统,图,18-3,自校正控制系统结构,图,自校正控制系统也称为参数自适应系统，其,18.2,预测控制系统,预测控制系统是指预测控制算法在工业过程控制上的成功应用。预测控制算法则是一类特定的计算机控制算法的总称。,18.2.1,预测控制系统的基本结构,各种预测控制算法归纳起来主要由预测模型、反馈校正、滚动优化和参考轨迹四部分组成，预测控制的基本结构图如图,18-4,所示。,18.2 预测控制系统 预测控制系统是指,1.,预测模型,能够根据系统现在时刻的控制输入及过程的历史信息预测出未来的输出值。,2.,反馈校正,在每个预测时刻都引入当时实际对象的输出和模型输出的偏差，,图,18-4,预测控制的基本结构图,1.预测模型图18-4预测控制的基本,使闭环模型不断得到修正，这样，即可有效地克服模型的不精确性和系统中存在的不确定性。,3.,参考轨迹,参考轨迹通常采用从现在时刻实际输出值出发的一阶指数曲线。采用这种形式的参考轨迹，将会减少过量的控制作用，使系统的输出比较缓慢地达到设定值。,4.,滚动优化,预测控制是一种优化控制算法。它是通过某一性能指标的最优化来确定未来的控制作用。这一性能指标,使闭环模型不断得到修正，这样，即可有,还涉及到过程未来的行为，它是根据预测模型由未来的控制策略决定的。,18.2.2,预测控制系统的特点及其应用,1.,预测控制系统的特点,1,）,从控制方式上预测控制与传统的,PID,控制不同。,2,）,预测控制的预测和优化模式是对传统最优控制的修正，它能使建模简化，并且考虑到不确定性及其它复杂性等因素。,还涉及到过程未来的行为，它是根据,3,）,预测控制对数学模型的要求不高而且模型形式多样化，能够直接处理具有纯滞后的过程，具有良好的跟踪性能和较强的抗干扰能力，对模型误差具有较强的鲁棒性。,2.,预测控制系统的应用,目前，国外已经研制出许多以预测控制为核心思想的先进控制软件包并成功地应用于石化企业的许多重要装置。,我国通过与国外公司合作和科技攻关等，部分成果已经逐渐形成商品化软件。,3）预测控制对数学模型的要求不高而且模,18.3,智能控制系统与专家控制系统,智能控制系统是实现某种控制任务的一种智能系统，它由智能控制器和对象所组成，具备一定的智能行为，可以用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统,18.3.1,智能控制的基本概念,智能控制是从,“,仿人,”,的概念出发的，其方法包括模糊控制、神经元网络控制、专家控制以及现代仿生优化方法的控制等。,18.3 智能控制系统与专家控制系统 智能控制,的控制问题。智能控制系统的基本结构图如图,18-5,所示。,图,18-5,智能控制系统的基本结构图,智能控制系统的主要功能特点可以概括为以下几个方面。,1.,学习功能,2.,适应功能,3.,组织功能,的控制问题。智能控制系统的基本结构图如图18-5所示。图18,根据智能控制系统的定义和控制功能，可对各种智能控制器进行分类，主要有以下几种类型。,1.,自寻优智能控制器,5.,自修复智能控制器,2.,自学习智能控制器,6.,自镇定智能控制器,3.,自适应智能控制器,7.,自协调智能控制器,4.,自组织智能控制器,8.,自繁殖智能控制器,18.3.2,智能控制的主要类型,根据智能控制系统的定义和控制功能，可,1.,专家控制系统的基本概念,专家系统（,Expert System,）是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。专家系统内部含有大量的某个领域的专家水平的知识与经验，能够运用人类专家的知识和解决问题的方法进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，来解决该领域的复杂问题。,专家控制系统是指将专家系统的设计规范和运行机制与传统控制理论和技术相结合而成的实时控制系统的设计和实现方法。,18.3.3,专家控制系统,1.专家控制系统的基本概念18.3.,2.,专家控制系统的类型,根据专家控制系统在过程控制中的用途和功能可分为直接型专家控制器和间接型专家控制器。如果按照知识表达技术分类，又可分为产生式专家控制系统和框架式专家控制系统等。,3.,专家控制系统的结构,专家控制系统的总体结构如图,18-6,所示。该系统由算法库、知识基系统和人,-,机接口与通讯系统三部分组成。,2.专家控制系统的类型,在控制过程中，如果将熟练工人或技术人员头脑中丰富的操作经验加以总结，并将凭经验所采取的操作措施变,图,18-6,专家控制系统总体结构图,18.4,模糊控制系统,在控制过程中，如果将熟练工人或技术人,成相应的控制规则，然后研制一种模糊控制器来实施这些控制规则，从而对复杂的工业过程实现自动控制，这样的控制系统称为模糊控制系统。所以，实质上所谓的模糊控制系统是指通过模糊控制器来代替人们用自然语言描述的控制活动。,18.4.1,模糊控制系统的基本结构,模糊控制系统的方框图如图,18-7,所示。模糊控制器的基本结构图如图,18-8,所示。,成相应的控制规则，然后研制一种模糊控制器来实施这些控,18.4.2,模糊控制的方法,1.,查表法,2.,专用硬件模糊控制器,3.,软件模糊推理法,图,18-7,模糊控制系统方框图,图,18-8,模糊控制器的基本结构图,18.4.2 模糊控制的方法,18.4.3,模糊控制系统的设计,1.,确定模糊控制器的结构,2.,精确量的模糊化和隶属度的确定,3.,确定模糊控制规则,4.,确定模糊关系进行模糊推理,5.,输出信息的模糊判决与模糊控制查询表,18.4.3 模糊控制系统的设计 1.,18.5,神经元网络控制,神经元网络是一种基本上不依赖于模型的控制方法，它比较适用于那些具有不确定性或高度非线性的控制对象，并具有较强的适应和学习功能。,18.5.1,人工神经元模型,人工神经元是对生物神经元的简化和模拟。人工神经元可用一个多输入、单输出的非线性节点表示，如图,18-9,所示。,18.5 神经元网络控制 神经元网,神经细胞,j,的人工神经元的输入输出关系可描述为：,（,181,）,（,182,）,传递函数,f,可为线性函数，或为具有任意阶导数的非线性函数。常见的传递函数有阶跃函数、,S,形函数和高斯函数等。,图,18-9,人工神经元模型,神经细胞j的人工神经元的输入输出关系,人工神经元是人工神经网络的基本单元，人工神经网络是由许多人工神经元模型构成，用来模拟生物神经网络的某些结构和功能。,由大量的人工神经元模型按一定方式连接而成的网络结构称为人工神经网络。人工神经网络模型有很多形式，其中，最常见的是反向传播,（,BP,）,网络，如图,18-10,所示。,18.5.2,人工神经网络,人工神经元是人工神经网络的基本单元，,1.,在基于精确模型的各种控制结构中充当对象的模型。,2.,在反馈控制系统中直接用作控制器。,图,18-10 BP,神经网络示意图,18.5.3,人工神经网络在控制中的主要作用,1.在基于精确模型的各种控制结构中充当对,3.,在传统控制系统中起优化计算的作用。,4.,在与其它智能控制方法，如模糊控制、专家控制等相融合中，为其提供非参数化对象模型、优化参数、推理模型和故障诊断等。,18.5.4,神经网络控制的分类,一般可将神经网络控制分为两大类，即基于传统控制理论的神经网络控制和基于神经网络的智能控制。,3.在传统控制系统中起优化计算的作用,故障检测与故障诊断技术是一门应用型的边缘学科，它的理论基础涉及到现代控制理论、信号处理理论、应用数理统计、模糊控制理论和人工智能等诸多方面。,18.6,故障检测与故障诊断,18.6.1,提高控制系统可靠性的主要方法,1.,提高控制系统元器件的可靠性,2.,提高控制系统设计的可靠性,故障检测与故障诊断技术是一门应用型的,1,）,简化控制系统结构,2,）,采用备份,3.,控制系统的容错设计,4.,基于故障检测和诊断技术的容错设计,18.6.2,控制系统的主要故障,1.,控制器故障,2.,执行器故障,3.,传感器故障,1,1.,故障检测,故障检测是当控制系统发生故障时，可以及时发现并报警，以保证控制系统的正常运行。,2.,故障诊断,故障诊断是分离出控制系统的故障部位，判别故障的类型，估计出故障的大小与时间，并作出评价与决策。,18.6.3,故障检测和诊断的含义,4.,计算机故障,1.故障检测18.6.3 故障检测和,18.6.4,故障检测和诊断的主要方法,1.,基于控制系统动态模型的方法,2.,不依赖于控制系统动态模型的方法,1,）,诊断专家系统,2,）,模糊诊断方法,3,）,模式识别诊断方法,4,）,人工神经元网络诊断方法,18.6.4 故障检测和诊断的主要方法,石油化工自动化及仪表概论18-新型控制系统课件,