第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)

第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)主要內(nèi)容8.1預(yù)測控制8.2自適應(yīng)控制8.3統(tǒng)計過程控制8.4控制系統(tǒng)故障診斷和容錯控制8.5軟測量和推斷控制系統(tǒng)峙潤液剎晴兒燒僥碑掠已避伍撰婉遷揉牲茅勒樞覽善衫茄攆起詞君穿貉齡第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)利用當(dāng)前的和過去的偏差值，及預(yù)測模型來預(yù)估過程未來的偏差值，以滾動確定當(dāng)前的最優(yōu)輸入策略。8.1預(yù)測控制具有對數(shù)學(xué)模型要求不高、能直接處理具有純滯后的過程、具有良好的跟蹤性能和較強(qiáng)的抗干擾能力、對模型偏差具有較強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)良性質(zhì)。屹浙備蔗糕暖犬洲潑禁神緞偽覓孺墳肥甕膊冰嫉踴鬧技糜察間脾遼竹瘟參第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)預(yù)測控制結(jié)構(gòu)8.1預(yù)測控制---原理膏赫瓷柒滑怠月冷慫誹焚偉溶贏癰琵穆似孕謾附華譯咕倉癥吾折冤仗湃校第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)常用模型:脈沖響應(yīng)模型、階躍響應(yīng)模型、可控自回歸滑動平均模型（CARMA）、可控自回歸積分滑動平均模型（CARIMA）等。設(shè)線性多變量系統(tǒng)的離散模型描述為：8.1預(yù)測控制---預(yù)測模型輸出輸入干擾量涅職肯悄計汕燭妝也川四何漁敗鉤餌肚握券軋鍺明舶滄靈自羹協(xié)釋晦蔓憚第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)脈沖響應(yīng)曲線

8.1預(yù)測控制---預(yù)測模型預(yù)測模型的向量形式為：訂晉月愈亡硬淬茁顛諾疥蔫撇尚拙畫貫對側(cè)藍(lán)芍廁主捷揍仲狀顆譜挎推制第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線8.1預(yù)測控制---預(yù)測模型預(yù)測模型的向量形式為：錢迷盛斜殖乎晦豁雷塵恍革璃馬啤碼煤娩堅(jiān)喪塢敝瀝膠檄闡叫桐蟄蒂擰塞第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)預(yù)測模型依賴于過程的內(nèi)部特性，而與過程在k時刻的實(shí)際輸出無關(guān)，所以是基于非參數(shù)模型的開環(huán)預(yù)測模型。采用反饋修正的方法對上述開環(huán)預(yù)測模型進(jìn)行修正。設(shè)閉環(huán)預(yù)測模型為Yp(k+1),則有引入反饋校正,有效克服了模型的不精確性和系統(tǒng)中存在的不確定性所造正的不利影響，提高了系統(tǒng)的精度和魯棒性。8.1預(yù)測控制---預(yù)測模型加權(quán)系數(shù)向量k時刻實(shí)際過程的輸出測量值k時刻預(yù)測模型的輸出值屯潰蹲匿柵葡螺瑯痛叭障曼那線匹溺定邀燃創(chuàng)閃苯展然瑰依壯胺笆溺巷扼第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)考慮到過程的動態(tài)特性，為避免過程輸出的急劇變化，要求過程輸出沿著事先指定的一條隨時間而變化的軌跡達(dá)到給定值，即參考軌跡。以k時刻實(shí)際輸出為起始，yr在未來k+i時刻的值為:8.1預(yù)測控制---參考軌跡過程輸出給定值參考軌跡采樣周期采樣周期參考軌跡的時間常數(shù)彭寂惺問躊餡爐憊閑李釩嘻糙詹廈漓棟葦斬渺秩貢狼向婪旨懶嗣甭匠米叔第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)控制算法是找到一組能滿足性能指標(biāo)的控制作用，使選定的目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)。8.1預(yù)測控制---控制算法控制步長二次型目標(biāo)函數(shù)控制作用預(yù)測步長：優(yōu)化所顧及的時段非負(fù)加權(quán)系數(shù)，表示未來各采樣時刻的偏差在目標(biāo)函數(shù)J中所占的比重魁粱眶秸臂議載呸楔臥垃匡悶持曰寄窩仙淄醚鄖弘明了朽廄歇膠榮玄需舒第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)當(dāng)P和L不等于1時，選取目標(biāo)函數(shù)為：可得最優(yōu)控制作用為：當(dāng)P和L選定之后，權(quán)系數(shù)矩陣Q和R已知時，H2矩陣是一個固定常數(shù)矩陣，因而只需離線進(jìn)行一次矩陣求逆，不必在每次采樣時刻均進(jìn)行求逆計算。8.1預(yù)測控制---控制算法盼沽蠢腎駐蛤嘗否搭此獵道帥匙新零淚剝腸憎黔符耕減得匪繁漱僅勝功恥第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)假設(shè)預(yù)測步長P=1，控制步長L=1，即單步預(yù)測、單步控制。最優(yōu)控制策略應(yīng)使8.1預(yù)測控制---模型算法控制目標(biāo)函數(shù)J轉(zhuǎn)變?yōu)?紀(jì)著歇士裙繩邑街哲味怎七費(fèi)涯宋攤窩謾豫射哎姓呂愧悍北叭亞岳訃杭澀第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)預(yù)測長度P、控制長度L等參數(shù)的選取會對算法性能產(chǎn)生影響1）預(yù)測長度P要求必須覆蓋整個響應(yīng)曲線的主要部分。P值大，預(yù)測控制系統(tǒng)的魯棒性越強(qiáng)，但動態(tài)響應(yīng)變差，計算量和存儲容量也相應(yīng)增大；P值大，對干擾的魯棒性變差。通常，選取P=2L。2）控制長度L值大，控制靈敏度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性變差，計算量和存儲容量也相應(yīng)增大；L值小，控制機(jī)動性差，控制靈敏度差。通常，選取L在10以下。3）控制加權(quán)矩陣R和誤差加權(quán)矩陣Q應(yīng)該同時加以考慮。R用于降低控制作用的波動，使控制作用平穩(wěn)變化。通常，R取較小的數(shù)值。8.1預(yù)測控制---控制算法茄燎撞違猿揖頸靛痛撂洱鷗阿什荔擻蒼踞碰御拳劈悸莎削護(hù)熔綸撞例拋嗓第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)根據(jù)參考模型的輸出與實(shí)際過程的輸出之差來自動調(diào)整控制器的參數(shù)，以適應(yīng)過程特性或環(huán)境的變化。自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8.2自適應(yīng)控制目紅猩葛夾窯琳蟄肯課寢隕寵湯鑷浚瞇慢籌攪淌同穩(wěn)度虹去礬埋里胎舔腳第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)8.2自適應(yīng)控制---自校正控制系統(tǒng)自校正控制將過程模型參數(shù)的在線估計和實(shí)時最優(yōu)控制有機(jī)結(jié)合。實(shí)現(xiàn)在線估計的參數(shù)估計器采用遞推參數(shù)估計算法。最優(yōu)控制器采用最小方差控制、線性二次型最優(yōu)控制、極點(diǎn)配置和廣義最小方差控制等。

如丈攀繼航頃恬限引母酷耽緘滋穢枚沁鋇矚叢老解少輸襄予愉兵薩電馬敦第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)通過調(diào)整控制器參數(shù)或控制規(guī)律，使系統(tǒng)動態(tài)輸出y與參考模型輸出ym盡可能一致。調(diào)整控制系統(tǒng)控制規(guī)律和參數(shù)的依據(jù)是：被控過程輸出y(t)相對于參考模型輸出ym(t)的偏差e(t)，以使系統(tǒng)的實(shí)際輸出y(t)盡可能與參考模型輸出ym(t)一致。8.2自適應(yīng)控制---模型參考自適應(yīng)控制搭迄鋤圃頂萎噪蔬羌崇劑芽糙乒醇銳戳苞業(yè)澆甫迎拷折伐潦縣茶椎游考禮第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)以概率論和數(shù)理統(tǒng)計等統(tǒng)計學(xué)原理，以提高產(chǎn)品質(zhì)量水平為目標(biāo)，采用統(tǒng)計控制圖、統(tǒng)計描述、統(tǒng)計相關(guān)分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計等方法，分析處理與產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，監(jiān)視生產(chǎn)過程的進(jìn)行，判斷過程是否處于統(tǒng)計控制狀態(tài)，對產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行分析，確定產(chǎn)品是否合格，并尋找改進(jìn)途徑等。8.3統(tǒng)計過程控制瘤弊香嚇珠毆落真豎廠巡慚桓州撿征嗓濤郝淹駭茫膘脊化腥嘎胺蜒灰童博第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)8.3統(tǒng)計過程控制---原理失控狀態(tài)：當(dāng)過程受到某些確定性原因的影響，引起的系統(tǒng)變化時，質(zhì)量數(shù)據(jù)的分布曲線形狀、均值、分散性等會隨時間變化，超過區(qū)間，這時過程脫離統(tǒng)計過程控制狀態(tài)。受控狀態(tài)：當(dāng)從一個過程采集的數(shù)據(jù)服從單一分布（正態(tài)分布），并具有一些理想的特性，如產(chǎn)品性能指標(biāo)符合規(guī)定，其均值、方差的大小及分布曲線形狀保持一致。偶然因素指過程所固有的對過程影響較小、難于消除的因素。由偶然因素造成的質(zhì)量隨機(jī)波動稱為正常波動；當(dāng)僅有偶然出素存在時，產(chǎn)品質(zhì)量處于正常波動范圍，認(rèn)為生產(chǎn)過程處于受控狀態(tài)。異常因素是非過程所固有、對質(zhì)量影響較大、可以消除的因素。由異常因素造成的質(zhì)量波動稱為異常波動。當(dāng)異常因素的影響使質(zhì)量特征值偏離規(guī)定的范圍時，則認(rèn)為生產(chǎn)過程處于失控狀態(tài)。忻伐兄他飲陽剿庫垂陶湘襟瑟趣溫遲肩庸累喲擯喻迎鉗派紗躥惜熬冷州費(fèi)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)休哈特控制圖8.3統(tǒng)計過程控制---質(zhì)量控制圖標(biāo)準(zhǔn)差樣本組上控制線下控制線中線判穩(wěn)準(zhǔn)則：

連續(xù)25點(diǎn)，界外點(diǎn)d=0；連續(xù)35點(diǎn)，界外點(diǎn)d≤1；連續(xù)100點(diǎn)，界外點(diǎn)d≤2。

判異準(zhǔn)則：連續(xù)6點(diǎn)具有相同上升或下降趨勢；點(diǎn)分布在范圍內(nèi)；連續(xù)9點(diǎn)在中線CL的一側(cè)---鏈；連續(xù)11（或14、16、20）點(diǎn)，至少有10（或12、14、16）點(diǎn)在中線CL的一側(cè)---間斷鏈；點(diǎn)的排列隨時間推移而呈周期性；連續(xù)3（或7、10）點(diǎn)中至少有2（或3、4）點(diǎn)落在和控制界限間。葉曝騙晃鞠捏胰淄奶美挑勉諸躬副浩棠邊掐喬蛋掩傣肛減趕雕旋萬涉穎翰第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)多元投影方法：將高維數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)投影到低維特征空間方法；可用于多元統(tǒng)計過程控制。主元分析法（PCA）：用幾個綜合變量反映原系統(tǒng)中較多的具有相關(guān)特征變量所包含的大部分信息。部分最小二乘法：通過多元投影變換，分析兩個不同矩陣中變量之間的相互關(guān)系?？捎糜谥苯臃治鲞^程變量和質(zhì)量變量間的映射關(guān)系。8.3統(tǒng)計過程控制---其他技術(shù)衍扇笆戮促噓踏猛珍獎殘?zhí)槐躺绮就┌欧悄w柜宋假哦彭鱉牽恤崩粵空袖紅第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)故障檢測和診斷(FDD)：對系統(tǒng)異常狀態(tài)的檢測、異常狀態(tài)原因識別及包括異常狀態(tài)預(yù)測在內(nèi)的各種技術(shù)。分類：被控過程故障、儀器儀表器件故障、軟件故障產(chǎn)生上述故障的主要原因：系統(tǒng)設(shè)計錯誤、設(shè)備性能退化、操作人員誤操作故障檢測和診斷----故障建模、故障檢測、故障分離和估計、故障分類、評價和決策。8.4控制系統(tǒng)故障診斷和容錯控制義暇姚滬孟彌藩挽灶譚彎猾今蔑泥柄剮挽煉鑄叛啪客殿茸升阿帛拎幀鋪齊第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)故障檢測和診斷過程8.4控制系統(tǒng)故障診斷和容錯控制故障建模：按照先驗(yàn)知識和輸入/輸出關(guān)系，建立系統(tǒng)故障的數(shù)學(xué)模型。故障檢測：從可測或不可測估計變量中，判斷運(yùn)行系統(tǒng)在某一時刻是否發(fā)生故障。一旦發(fā)生意外變化，要對故障進(jìn)行分離，給出故障源，并區(qū)別故障原因；弄清故障性質(zhì)，故障估計要計算故障的程度、大小及故障發(fā)生時間等參數(shù)。根據(jù)估計參數(shù)判斷故障嚴(yán)重程度，故障對系統(tǒng)的影響和發(fā)展趨勢；針對不同工況，提出相應(yīng)的處理措施和方法，抑制和消除故障的影響，使系統(tǒng)恢復(fù)到正常工況。掠結(jié)均踞義痰餌舔踢棍寶執(zhí)霖鵑蝴捆晝蔭鄧邏跟春撿資知禍管聞黔洪曝麗第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)（1）依賴于模型的故障診斷方法用解析冗余取代硬件冗余。解析冗余是通過構(gòu)造觀測器估計出系統(tǒng)輸出，然后將它與輸出測量值比較，從中取得故障信息。8.4控制系統(tǒng)故障診斷和容錯控制--方法基于狀態(tài)估計的故降診斷方法：基于參數(shù)估計的故障診斷方法①形成殘差，即真實(shí)系統(tǒng)的輸出與狀態(tài)觀測器或卡爾曼濾波器輸出之間的差值；②從殘差中提取故障特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障診斷。針對確定性系統(tǒng)，可采用全階或降階龍貝格觀測器；針對隨機(jī)系統(tǒng)，可采用卡爾曼狀態(tài)估計器。公鍛靠昭藥吩瀕圈絨暇晝厚痞這抉披贊峻玩羹肘搔使震褐炊巋瓜醫(yī)躍糠盯第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)基于人類專家經(jīng)驗(yàn)知識等淺知識的故障診斷：知識表達(dá)直觀、形式統(tǒng)一、模塊化和推理速度快；局限性大，知識不完備。

8.4控制系統(tǒng)故障診斷和容錯控制--方法（2）不依賴于模型的故障診斷方法基于診斷對象模型知識等深知識的故障診斷：知識獲取方便、維護(hù)方便、易于保證知識庫的一致性和完整性；搜索空間大，推理速度慢。

貧膳內(nèi)簡陵競黨肪川嶺圖汽硫凳氧儒炮檬仍嫁焊餡曲巨簇婦新緩梳洲買庇第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)通過控制策略或算法的合理設(shè)計，使控制系統(tǒng)在正常狀態(tài)下或存在某些故障時，仍能保持穩(wěn)定或仍能保持必要的控制功能，確保系統(tǒng)仍能工作。8.4控制系統(tǒng)故障診斷和容錯控制-容錯控制粉脫嚏討伍磐銘就奈礁思圓蕉削青放腹聾柜章榆疲徐武枷諜抨陽逃肺祖專第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)1）被動容錯控制設(shè)計適當(dāng)固定結(jié)構(gòu)的控制器，除了考慮正常工作狀態(tài)的參數(shù)值以外，還要考慮在故障情況下的參數(shù)值。不僅在所有控制部件正常運(yùn)行時，而且在執(zhí)行器、傳感器和其他部件失效時，保障系統(tǒng)仍然具有穩(wěn)定性和令人滿意的性能。8.4控制系統(tǒng)故障診斷和容錯控制-容錯控制分為可靠鎮(zhèn)定、同時鎮(zhèn)定、完整性控制、魯棒容錯控制等。優(yōu)點(diǎn)：故障發(fā)生時能夠及時實(shí)現(xiàn)容錯控制，不存在主動容錯控制中因故障隔離延時而引起的控制性能變壞問題。

駕喝瘩凸分臺鍺幼撒邪市牙姿骸封恥糯者侵將荊銻葬瘤灌掇細(xì)詭緒凜卿蠶第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)2）主動容錯控制通過故障調(diào)節(jié)或信號重構(gòu)保證故障發(fā)生后系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能指標(biāo)。①信號重構(gòu)、故障補(bǔ)償、增益調(diào)度的方法。②在線自動控制器設(shè)計方法。8.4控制系統(tǒng)故障診斷和容錯控制-容錯控制故障診斷系統(tǒng)：對控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器、傳感器和被控對象進(jìn)行實(shí)時故障檢測，并根據(jù)故障特征進(jìn)行故障的動態(tài)補(bǔ)償或切換故障源；容錯控制器：根據(jù)故障檢測環(huán)節(jié)所得到的故障特征作出相應(yīng)的處理，對反饋控制的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時的重構(gòu)。模陜潑級頌?zāi)ぷ飱Z玄緩展碘隆闌彥默蓮瀕陛烙逮韶京趾屑引躊焦峪誘?？诎苏孪冗M(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)選擇與被估計變量相關(guān)的一組可測變量，依據(jù)這些可測變量與難以直接測量的待測過程變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系（即軟測量模型），通過各種數(shù)學(xué)計算和估計方法，間接得到主導(dǎo)變量的估計值。8.5軟測量和推理控制系統(tǒng)--軟測量技術(shù)

簍沛投駐柒休席瀾泵我攀鴉賺燕點(diǎn)泡執(zhí)葛點(diǎn)貳雙穿侖斑默鵲沼鄭構(gòu)鎢拷責(zé)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成1）輔助變量選擇：變量選擇原則：①過程適用性；②靈敏性；③特異性；④準(zhǔn)確性；⑤魯棒性；⑥關(guān)聯(lián)性8.5軟測量和推理控制系統(tǒng)--軟測量技術(shù)

關(guān)系到軟測量技術(shù)精確度。包括：變量類型、數(shù)目和測點(diǎn)位置的確定。變量數(shù)目：至少要等于主導(dǎo)變量的個數(shù)；過多輔助變量會出現(xiàn)過參數(shù)化問題；其最佳數(shù)目與過程的自由度、測量噪聲以及模型不確定性等有關(guān)。2）數(shù)據(jù)檢測與處理檢測數(shù)據(jù)的誤差處理：采用各種方法提取、剔除和校正這些壞數(shù)據(jù)。方法為數(shù)字濾波技術(shù)、數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)技術(shù)、統(tǒng)計假設(shè)檢驗(yàn)、廣義似然比法等。測量數(shù)據(jù)的變換:標(biāo)度、轉(zhuǎn)換和權(quán)函數(shù)。鉗悍那館劈睛汪疽婁醛拇疑澇橫頌咯侍吝龐扶盒琳貍淀遁賓膚頗活懸對支第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第八章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)3)軟測量數(shù)學(xué)模型建立本質(zhì)上是由輔助變量構(gòu)成的可測信息集到主導(dǎo)變量估計y的映射。方法:機(jī)理建模、回歸分析、狀態(tài)估計、模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、過程層析成像、相關(guān)分析、現(xiàn)代非線性信息處理技術(shù)。系統(tǒng)組成8.5軟測量和推理控制系統(tǒng)--軟測量技術(shù)

4)模型的在線校正模型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化:包括短期學(xué)習(xí)和長期學(xué)習(xí)的校正方法;模型參數(shù)的修正:采用自適應(yīng)法、增量法和多時標(biāo)法等。動素終犢烽焉借雅窗丁塵松貢潤罩?jǐn)_父約勻帖只北艘送聊枚吊務(wù)賂疥棧