先进控制技术课件
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《控制技术 》课件
传感器的种类繁多，如温度传感器、 压力传感器、位移传感器和速度传感 器等。
被控对象
01
被控对象是控制系统所要控制的 设备或过程，可以是机械系统、 电气系统、液压系统或气动系统 等。
02
被控对象的特性对控制系统的设 计具有重要影响，需要充分了解 被控对象的物理特性和动态特性 。
反馈回路
反馈回路是控制系统的重要组成部分 ，它通过将传感器的检测信号反馈给 控制器，实现系统的闭环控制。
系统调试
对控制系统进行全面的调试，包括功能调试、性能测 试等，确保系统正常运行。
调试工具
使用各种调试工具，如示波器、逻辑分析仪、仿真软 件等。
控制系统的维护与优化
系统维护
定期对控制系统进行维护，包括硬件设备的清洁、检查、更换等 ，确保系统稳定运行。
系统优化
根据实际运行情况，对控制系统进行优化，包括参数调整、算法 改进等，提高系统性能。
详细描述
控制系统分析是评估控制系统性能的重要环节，它通过分析系统的动态特性来 评估其性能。控制系统分析的主要目的是确定系统的稳定性，以及系统对外部 扰动的响应。常用的分析方法包括时域分析和频域分析。
控制系统设计
总结词
控制系统设计是根据系统分析和性能要 求，设计合适的控制策略以满足系统性 能要求的过程。
稳定性的判定方法
03
通过计算系统的极点或特征根，判断其是否位于复平面的左半
部分。
准确性
01
02
03
准确性的定义
准确性是指控制系统在稳 态下，输出量能够跟踪输 入量的能力。
准确性的评价指标
误差、稳态误差和无差度 。
提高准确性的方法
通过调整控制器的参数， 改善系统的动态性能和静 态性能。
《计算机控制技术》课件
《计算机控制技术》ppt课件
contents
目录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的实现技术 • 计算机控制系统的应用实例
01
计算机控制技术概述
定义与特点
总结词
计算机控制技术的定义和特点
详细描述
计算机控制技术是指利用计算机对工业生产过程进行自动控制的技术。它具有 高精度、高效率、高可靠性的特点，能够实现生产过程的自动化、智能化和信 息化。
动控制。
监控软件
用于实时监控系统的运行状态 ，显示各种参数和数据，以及
进行故障诊断和报警等。
数据库软件
用于存储和管理各种数据，如 历史数据、实时数据等。
操作系统
提供计算机控制系统的运行环 境和基础服务。
人机接口
01
02
03
界面设计
设计易于操作的人机界面 ，包括图形界面和文本界 面等。
交互方式
提供多种交互方式，如鼠 标操作、键盘输入等，方 便用户进行操作和控制。
常见的开环控制系统有步进电机 控制系统、温度控制系统等。
闭环控制系统
闭环控制系统是一种包含反馈环节的控制系统，通过检测系统输出结果，将检测结 果反馈给输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号。
闭环控制系统的优点是能够实时调整系统输出，提高控制精度和稳定性，但结构相 对复杂。
常见的闭环控制系统有伺服电机控制系统、数控机床控制系统等。
自适应控制
通过调整控制器参数，使系统能够自动适应环境变化和不确定性， 保持最优性能。
鲁棒控制
设计具有鲁棒性的控制系统，使系统在存在不确定性和干扰的情况 下仍能保持稳定和良好的性能。
contents
目录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的实现技术 • 计算机控制系统的应用实例
01
计算机控制技术概述
定义与特点
总结词
计算机控制技术的定义和特点
详细描述
计算机控制技术是指利用计算机对工业生产过程进行自动控制的技术。它具有 高精度、高效率、高可靠性的特点，能够实现生产过程的自动化、智能化和信 息化。
动控制。
监控软件
用于实时监控系统的运行状态 ，显示各种参数和数据，以及
进行故障诊断和报警等。
数据库软件
用于存储和管理各种数据，如 历史数据、实时数据等。
操作系统
提供计算机控制系统的运行环 境和基础服务。
人机接口
01
02
03
界面设计
设计易于操作的人机界面 ，包括图形界面和文本界 面等。
交互方式
提供多种交互方式，如鼠 标操作、键盘输入等，方 便用户进行操作和控制。
常见的开环控制系统有步进电机 控制系统、温度控制系统等。
闭环控制系统
闭环控制系统是一种包含反馈环节的控制系统，通过检测系统输出结果，将检测结 果反馈给输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号。
闭环控制系统的优点是能够实时调整系统输出，提高控制精度和稳定性，但结构相 对复杂。
常见的闭环控制系统有伺服电机控制系统、数控机床控制系统等。
自适应控制
通过调整控制器参数，使系统能够自动适应环境变化和不确定性， 保持最优性能。
鲁棒控制
设计具有鲁棒性的控制系统，使系统在存在不确定性和干扰的情况 下仍能保持稳定和良好的性能。
计算机控制技术PPT课件
.
17
机械自动化学院
4）连续控制系统中，给定值与反馈值的比较是连续进行 的，控制器对产生的偏差也是连续调节的。计算机控制 系统不是连续控制的，而是离散控制的。
5）连续控制系统中，一般是一个控制器控制一个回路。 计算机控制系统中，一个控制器分时控制多个回路。
6）采用计算机控制系统，如分级计算机控制系统、集散 控制系统、计算机网络控制系统等，便于实现控制与管 理的一体化，是工业企业的自动化程度进一步提高。
对采集到的被控变量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决 定将要采取的控制行为。
实时控制输出： 根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
.
11
机械自动化学院
（2）在线方式和离线方式 ★ 在线方式或联机方式：生产过程和计算机直接连接，并受计算机
控制的方式。 ★ 离线方式或脱机方式：生产过程不和计算机相连，且不受计算机
键盘（功能键和数字键）
.
14
机械自动化学院
软件部分：
系统软件 软件 应用软件
操作系统 语言加工系统
编编连辑译接程程、序序装配程序
诊断系统
调试程序 子程序库
控制程序
数据采集及处理程序
数据可靠性检查程序 A／D转换及采样程序 数字滤波程序
线性化处理程序
数据采集程序
巡回检测程序
.
18
机械自动化学院
1.2 计算机控制系统的典型形式
1．操作指导控制系统
优点：结构简单，控制灵活和安全。
缺点：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。
.
19
机械自动化学院
2．直接数字控制系统 （Direct Digital Control—DDC）
PLC控制技术简介PPT课件
2.存贮器 ROM：主要存贮系统管理和监控程序，并能对用户程序做编译处理。 RAM：用来存 放由编程器输入的用户控制程序。
3.电源部件 将交流电源转换成供PLC的中央处理器，存贮器等电子电路工作所需要的直路电源 ，使PLC能正常工作。为提高可靠性目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电，用锂电池作 停电时的后备电源。
2020/3/25
2
2、传统继电－接触器控制的特
点
机械设备的电气控制，早期采用传统的继电－接触器控制。即用导 线将各种继电器KA、KT、KM线圈及触点按一定的逻辑关系连接起 来的控制系统。称为电器元件控制阶段。传统继电－接触器控制的 特点： （1）直观 （2）使用方便：能直接控制较大功率的负载。 （3）价格低：器件成本低。
20世纪60年代末一种新型工业控制装置可编程序控制 (Programmable Controller，简称PC)应运而生。它将传统的继电 器控制技术、计算机控制技术、通信技术融为一体。
• PLC及用计算机编程软件代替继电控制的硬件接线；既发挥计算机优 点，又考虑电气操作人员习惯，始终保持大众化特点。广泛地应用于 各类生产机械和生产过程的自动控制中。
2020/3/25
5
4、PLC目前的主要品牌
目前世界上PLC产品有美国、欧洲、日本三个流派，主要品牌有：A-B、GE、 松下，西门子，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德等
三菱FX2N-48MR的PLC
2020/3/25
6
欧姆龙PLC
2020/3/25
7
西门子plc
2020/3/25
8
松下 PLC
传统继电－接触器控制系统在工业控制领域曾占主导地位，应用也 很广。但有明显的缺陷： （1）固定接线方式(功能单一)。 （2）电路受之器件触点数的限制。 （3）系统运行稳定性，可靠性较差。 （4）系统响应速度慢。 （5）易出现“竞争”现象（抢动现象）。 在一些场合不适应控制要求
高精度运动控制系统的关键技术及综合运用ppt课件
公司自主研制的0.1微米级精密运动平台及集成 控制系统是微电子制造和测试设备的核心部件，也 是生物医疗设备和精密制造业发展的关键部件，这 些产品在以上领域的应用可以极大提高我国的制造 水平，缩小和先进国家的差距。
3
公司简介（二）
此外公司还与秦皇岛海纳科技公司 合作研发了国内首款可驱动直线电机和 旋转电机的通用型伺服驱动器。该驱动 器具有高阶轨迹生成、支持用户编程等 高端功能，产品性能已达到国际先进水 平，可广泛用于高精密运动控制系统的 驱动和控制。
17
总结
❖ 运动控制技术是多学科复合技术：机械与电子、硬件和软件、算法 和分析
❖ 运动控制应用范围广：开环控制或闭环控制、半闭环或全闭环控制 ❖ 采用闭环控制首要考虑的是系统稳定性 ❖ 运动控制的性能不仅要考核时域响应，还要考核频域特性 ❖ 运动控制系统由控制平台、功率放大器/驱动器、执行机构/电机/
安装误差的影响
15
实例：编码器安装对信号质量及精度的影响（续） 信号质量对误差影响
16
运动控制系统的保护
软件级 •计算错误保护 •位置误差保护 •饱和保护 •震荡保护 •RMS功率保护 •电源故障保护 •急停保护
机械级 •机械限位装置 •机械刹车/卡紧装置 •机械防撞装置 •… …
硬件级 •限位传感器保护 •看门狗保护 •电源故障保护 •过功率保护 •驱动器短路保护 •驱动器过压/欠压保护 •驱动器过温保护 •驱动器RMS电流保护 •… …
➢ 光栅尺的精度
➢ 线距，或信号周期(每毫米线数，或每圈线)
➢ 光栅尺的热敏系数
➢ 差值技术
➢ 信号质量
➢ 频率响应与最高速度
旋转编码器最大速度 = [工作频率 (Hz) / (每转线数) ]*60 [RPM]
3
公司简介（二）
此外公司还与秦皇岛海纳科技公司 合作研发了国内首款可驱动直线电机和 旋转电机的通用型伺服驱动器。该驱动 器具有高阶轨迹生成、支持用户编程等 高端功能，产品性能已达到国际先进水 平，可广泛用于高精密运动控制系统的 驱动和控制。
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总结
❖ 运动控制技术是多学科复合技术：机械与电子、硬件和软件、算法 和分析
❖ 运动控制应用范围广：开环控制或闭环控制、半闭环或全闭环控制 ❖ 采用闭环控制首要考虑的是系统稳定性 ❖ 运动控制的性能不仅要考核时域响应，还要考核频域特性 ❖ 运动控制系统由控制平台、功率放大器/驱动器、执行机构/电机/
安装误差的影响
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实例：编码器安装对信号质量及精度的影响（续） 信号质量对误差影响
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运动控制系统的保护
软件级 •计算错误保护 •位置误差保护 •饱和保护 •震荡保护 •RMS功率保护 •电源故障保护 •急停保护
机械级 •机械限位装置 •机械刹车/卡紧装置 •机械防撞装置 •… …
硬件级 •限位传感器保护 •看门狗保护 •电源故障保护 •过功率保护 •驱动器短路保护 •驱动器过压/欠压保护 •驱动器过温保护 •驱动器RMS电流保护 •… …
➢ 光栅尺的精度
➢ 线距，或信号周期(每毫米线数，或每圈线)
➢ 光栅尺的热敏系数
➢ 差值技术
➢ 信号质量
➢ 频率响应与最高速度
旋转编码器最大速度 = [工作频率 (Hz) / (每转线数) ]*60 [RPM]
现代控制理论与工程课件
下面通过具体例子来阐述自动控制系统的
基本概念。
[例1-1] 观察机器人搬运物体的控制过程，
如图1-1所示。图中为5关节机器人，其中有2个
转动关节，3个摆动关节。末端执行器为一个夹 持器，机器人的任务是通过夹持器抓取A处的物 体，并将其搬运至B处。
图1-1 5关节搬运机器人
为了达到最优控制效果，需要精心设计 合适的过程控制算法，使得搬运物体的速度 最快，而且搬运过程既平稳，定位又准确。 则必然涉及到多变量、耦合和非线性等复杂 的控制问题。传统控制理论通常无法解决如
模型输入输出数据的测量，利用统计方法对系
统的状态进行估计。其中，卡尔曼滤波为典型
的技术，在很多领域得到了广泛应用。
5．自适应控制
自适应控制指得是控制系统能够适应内部
参数变化和外部环境的变化，自动调整控制作
用，使系统达到一定意义下的最优或满足对这
一类系统的控制要求。
6．鲁棒控制 这类控制问题指得是针对系统中存在一定 范围的不确定，设计所谓的鲁棒控制器，使得
变了系统的动态特性，增加了系统的复杂性。
例如，对于电动机转速控制系统，提高输入电
压，电动机转速相应提高，但电动机具有惯性，
响应会出现延迟，所以当提高输入电压时，电
动机的转速并不可能立即有反馈形成的调节作
用。
如果控制系统认为电动机的转速没有提高， 再继续增加输入电压，则有可能超过了希望转
速所对应的输入电压值。电动机在延迟了一段
古典控制理论的广泛应用给人类带来了巨
大的经济和社会效益，同时也导致了自动控制
技术的诞生和发展。最大的成果之一是PID控制 规律的产生，对于无时间延迟的单回路控制系 统很有效，在工业过程控制中仍被广泛应用。
基本概念。
[例1-1] 观察机器人搬运物体的控制过程，
如图1-1所示。图中为5关节机器人，其中有2个
转动关节，3个摆动关节。末端执行器为一个夹 持器，机器人的任务是通过夹持器抓取A处的物 体，并将其搬运至B处。
图1-1 5关节搬运机器人
为了达到最优控制效果，需要精心设计 合适的过程控制算法，使得搬运物体的速度 最快，而且搬运过程既平稳，定位又准确。 则必然涉及到多变量、耦合和非线性等复杂 的控制问题。传统控制理论通常无法解决如
模型输入输出数据的测量，利用统计方法对系
统的状态进行估计。其中，卡尔曼滤波为典型
的技术，在很多领域得到了广泛应用。
5．自适应控制
自适应控制指得是控制系统能够适应内部
参数变化和外部环境的变化，自动调整控制作
用，使系统达到一定意义下的最优或满足对这
一类系统的控制要求。
6．鲁棒控制 这类控制问题指得是针对系统中存在一定 范围的不确定，设计所谓的鲁棒控制器，使得
变了系统的动态特性，增加了系统的复杂性。
例如，对于电动机转速控制系统，提高输入电
压，电动机转速相应提高，但电动机具有惯性，
响应会出现延迟，所以当提高输入电压时，电
动机的转速并不可能立即有反馈形成的调节作
用。
如果控制系统认为电动机的转速没有提高， 再继续增加输入电压，则有可能超过了希望转
速所对应的输入电压值。电动机在延迟了一段
古典控制理论的广泛应用给人类带来了巨
大的经济和社会效益，同时也导致了自动控制
技术的诞生和发展。最大的成果之一是PID控制 规律的产生，对于无时间延迟的单回路控制系 统很有效，在工业过程控制中仍被广泛应用。
控制的方法和技术管理学ppt课件
16
第二节 质量控制方法
2、质量管理的发展 质量管理是指确定质量方针、目标和职责，并通过质量体系中的质量策划、 质量控制、质量保证和质量改进来实现管理职能的全部活动。
17
第二节 质量控制方法
3、过程控制优化 过程控制不仅是对产品提供全过程的管理，而且包括各方面业务过程 的协调。
小米手机以专注、极致、口碑、 快为特点的“互联网思维”就是良好 过程控制的典型案例。
外部审计：由组织外部的机构（如会计师事务所）选派审计人员对组织财务报表 及其反映的财务状况进行独立的检查和评估。
内部审计：由组织内部的机构或由财务部门的专职人员独立进行的，其目的是为 组织内部控制提供一种手段，以检查和评价各项控制的有效性。
6
第一节 层级控制、市场控制与团体 控制
3、财务控制： 财务控制是指对企业的资金投入及收益过程和结果进行衡量与校正， 以确保企业目标以及为达到此目标所制定的财务计划得以实现。
预 算
只能控制可计量的 业务活动
控
制 编制预算时常参照
的
上期项目和标准
局
限 性
组织外部环境的不 断变化
5
第一节 层级控制、市场控制与团体 控制
2、审计控制：
审计控制是指对反映组织资金运动过程及其结果的会计记录及财务报 表进行审核、鉴定，以判断其真实性和公允性，从而起到控制的作用。 审计是一项较独立的经济监控活动。
比
率
市场占有率=企业的主要产品销售 额/该种产品的市场销售总额
10
第一节 层级控制、市场控制与团体 控制
二、市场控制
市场控制（market mechanism）是指组织借助经济的力量，通过 价格机制来规范组织内部门（单位）和员工的行为。
第二节 质量控制方法
2、质量管理的发展 质量管理是指确定质量方针、目标和职责，并通过质量体系中的质量策划、 质量控制、质量保证和质量改进来实现管理职能的全部活动。
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第二节 质量控制方法
3、过程控制优化 过程控制不仅是对产品提供全过程的管理，而且包括各方面业务过程 的协调。
小米手机以专注、极致、口碑、 快为特点的“互联网思维”就是良好 过程控制的典型案例。
外部审计：由组织外部的机构（如会计师事务所）选派审计人员对组织财务报表 及其反映的财务状况进行独立的检查和评估。
内部审计：由组织内部的机构或由财务部门的专职人员独立进行的，其目的是为 组织内部控制提供一种手段，以检查和评价各项控制的有效性。
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第一节 层级控制、市场控制与团体 控制
3、财务控制： 财务控制是指对企业的资金投入及收益过程和结果进行衡量与校正， 以确保企业目标以及为达到此目标所制定的财务计划得以实现。
预 算
只能控制可计量的 业务活动
控
制 编制预算时常参照
的
上期项目和标准
局
限 性
组织外部环境的不 断变化
5
第一节 层级控制、市场控制与团体 控制
2、审计控制：
审计控制是指对反映组织资金运动过程及其结果的会计记录及财务报 表进行审核、鉴定，以判断其真实性和公允性，从而起到控制的作用。 审计是一项较独立的经济监控活动。
比
率
市场占有率=企业的主要产品销售 额/该种产品的市场销售总额
10
第一节 层级控制、市场控制与团体 控制
二、市场控制
市场控制（market mechanism）是指组织借助经济的力量，通过 价格机制来规范组织内部门（单位）和员工的行为。
现代电气控制技术 PPT课件
第11章 现代电气、电机控制技术
第11章 现代电气、电机控制技术
11.1 PLC控制技术 11.2 异步电动机的变频调速技术 11.3 交流伺服技术 思考题与习题
2020/3/31
1
第11章 现代电气、电机控制技术
11.1 PLC控制技术
11.1.1 可编程控制器概述 可编程逻辑控制器简称PLC， 是20世纪70年代
（5） 如需输出打印或状态监控， 还需将有关信 息传送至外围设备。
不同档次的PLC产品内部使用的CPU芯片差异较 大， 三菱公司FX2系列小型PLC使用的微处理器是16 位8096单片机， 美国AB公司的PLC-3型大型PLC采用 的微处理器是ADM-2900高速芯片。
2020/3/31
15
第11章 现代电气、电机控制技术
2020/3/31
16
第11章 现代电气、电机控制技术
I/O接口电路的功能是： （1） 输入接口电路的作用是将来自现场设备的 输入信号通过电平变换、 速度匹配、 信号隔离和功率 放大， 转换成可供CPU处理的标准电平信号。 图112为PLC产品中常见的一种直流24 V传感器输入电路。 如输入器件为按钮、 开关类无源器件， +24 V端子仍 需接24 V电源， 但输入按钮或开关则可直接连在输入 端子和COM端之间， 电路更为简单。 只要程序运行， PLC内部就可以识别输入端子和COM之间的通或断。
2020/3/31
4
第11章 现代电气、电机控制技术
现代可编程控制器产品具有如下技术特点： （1） 高可靠性与高抗干扰能力。 PLC产品是专为 工业控制环境设计的， 机内采取了一系列抗干扰措施， 其平均无故障时间可高达4～5万小时， 远远超过采用 硬接线的继电—接触器控制系统， 也远远高于一般的 计算机控制系统。 PLC产品在软件设计上采取了循环扫 描、 集中采样、 集中输出的工作方式， 设置了多种实 时监控、 自诊断、 自保护、 自恢复程序； 在硬件设计 上采用了屏蔽、 隔离、 滤波、 联锁等抗干扰电路结构， 并实现了整体结构的模块化。 PLC适应于恶劣的工业环 境， 这是它优于普通微机控制系统的首要特点。
第11章 现代电气、电机控制技术
11.1 PLC控制技术 11.2 异步电动机的变频调速技术 11.3 交流伺服技术 思考题与习题
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第11章 现代电气、电机控制技术
11.1 PLC控制技术
11.1.1 可编程控制器概述 可编程逻辑控制器简称PLC， 是20世纪70年代
（5） 如需输出打印或状态监控， 还需将有关信 息传送至外围设备。
不同档次的PLC产品内部使用的CPU芯片差异较 大， 三菱公司FX2系列小型PLC使用的微处理器是16 位8096单片机， 美国AB公司的PLC-3型大型PLC采用 的微处理器是ADM-2900高速芯片。
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第11章 现代电气、电机控制技术
2020/3/31
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第11章 现代电气、电机控制技术
I/O接口电路的功能是： （1） 输入接口电路的作用是将来自现场设备的 输入信号通过电平变换、 速度匹配、 信号隔离和功率 放大， 转换成可供CPU处理的标准电平信号。 图112为PLC产品中常见的一种直流24 V传感器输入电路。 如输入器件为按钮、 开关类无源器件， +24 V端子仍 需接24 V电源， 但输入按钮或开关则可直接连在输入 端子和COM端之间， 电路更为简单。 只要程序运行， PLC内部就可以识别输入端子和COM之间的通或断。
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第11章 现代电气、电机控制技术
现代可编程控制器产品具有如下技术特点： （1） 高可靠性与高抗干扰能力。 PLC产品是专为 工业控制环境设计的， 机内采取了一系列抗干扰措施， 其平均无故障时间可高达4～5万小时， 远远超过采用 硬接线的继电—接触器控制系统， 也远远高于一般的 计算机控制系统。 PLC产品在软件设计上采取了循环扫 描、 集中采样、 集中输出的工作方式， 设置了多种实 时监控、 自诊断、 自保护、 自恢复程序； 在硬件设计 上采用了屏蔽、 隔离、 滤波、 联锁等抗干扰电路结构， 并实现了整体结构的模块化。 PLC适应于恶劣的工业环 境， 这是它优于普通微机控制系统的首要特点。
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yM (k j) iN1hˆiu(k j i), j 1,2,, P
14
4.2.2 模型算法控制
2）模型校正
利用当前时刻的模型误差进行模型校正(反馈校正法)，得到校正 后的预测输出分别为
yc (k 1) hˆ1u(k) hˆ2u(k 1) hˆNu(k N 1) y(k) yM (k) yc (k 2) hˆ1u(k 1) hˆ2u(k) hˆNu(k N 2) y(k) yM (k) yc (k P) hˆ1u(k P 1) hˆ2u(k P 2) hˆNu(k N P) y(k) yM (k)
现代过程控制基础
4 先进过程控制技术
信息学院
二○一七年十一月
1
本章内容：
软测量技术 预测控制技术 模糊控制技术
2
4.1 软测量技术
15580
测温枪
电极加热系统
现场温度测量
温度
热电偶点测
过程基本参数 • 钢水容量: 100 t • 温度区间:
1520~1620℃ • 电极加热系统参数:
功率：13500 KW
y(k)
预测输出
yR (k )
输出的期望值曲线
u(k)
当前及未来时刻的控制量
0
1
2
L-1
当前时刻 基于模型的预测控制思路
Pk
11
4.2.1 预测控制的基本原理
预测模型：根据系统的历史信息（系统输出及控制作用）和未来输 入 ，预测系统未来的输出 。
具有展示系统未来动态行为的功能。
给系统施加不同的控制作用，根据不同控制策略下的预测输出变 化,可以对这些控制策略的优劣进行对比。
过去
未来
y1
y2 y
u2
u
u1
0
k
基于模型预测对不同的控制策略对比
12
4.2.1 预测控制的基本原理
e(k) yM (k) yR (k)
预测控制算法就是要按照预测输出与期望输出的偏差，依
据某一性能指标，计算当前及未来L个时刻的控制量，使得性
能指标最小 。
u(k)(k 0,1,2,, L 1)
能量的输入
电弧加热 Q1
钢水温度变化量
能量增量
能量的散失
包衬吸热 Q2
渣面散热 Q3 加料吸热 Q4
T Q1 Q2 Q3 Q4
csteel msteel
精炼过程能流图
5
4.1.2 软测量技术的核心
黑箱建模法（或称数据驱动建模法）
基于积累的过程运行数据，用统计学习、人工智能等方法建立对象的 输入输出关系模型。
预测控制算法的核心：
预测模型，反馈校正，滚动优化
13
4.2.2 模型算法控制
1）预测模型
对于线性对象，其脉冲响应模型可以表示为 y(k) hiu(k i) i 1
对于渐进稳定对象，由于
lim
j
h
j
0
因此，对象的矩阵脉冲响应模型就可以近似表示为
N
yM (k) hˆiu(k i) i 1
模型在下一时刻到P个时刻的输出可以表示为
产生背景： ① 复杂工业过程模型无法精确表达 ② 计算机技术的飞速发展和在工业控制领域的应用。 ③ 工程应用角度，希望模型要求低、控制质量好、在
线实现方便。
预测控制是对数学模型依赖性不是很强的控制方法。
10
4.2.1 预测控制的基本原理
相关变量说明:
设定值
过去 ys
过去的输出与控制
未来 yM (k)
优势：综合性能好 缺点：模型结构各异，建模难度高
参数估计器
变化
输入 数据 参数 模型
机理 输出 模型
混合模型结构示意图 (a)
输入
机理 模型
(函数关系已知部分)
数据 模型
(函数关系难确定部分)
混合模型结构示意图 (b)
模型 输出 融合 算法
7
4.1.3 软测量技术的使用
辅助变量
软测量模型
建模方法
• 机理建模法 • 黑箱建模法 • 混合建模方法
钢包炉体
不能有效测量
准确性 连续性 及时性
• 经验估算 • 多步控制
• 经验估算误差大 • 生产节奏快
控制效率低、精度差
4.1.1 软测量技术的基本概念
软测量技术（soft sensor technique）
结合生产过程知识，应用计算），通过选择另外一些容易测量的变量（称为 辅助变量），并与主导变量构成某种数学关系来进行推断估计，以软件代 替硬件（传感器）。
yc Hu H1u1 ( y yM )
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4.2.2 模型算法控制
2）模型校正
yc Hu H1u1 ( y yM )
yc (k 1) hˆ1u(k) hˆ2u(k 1) hˆNu(k N 1) y(k) yM (k) yc (k 2) hˆ1u(k 1) hˆ2u(k) hˆNu(k N 2) y(k) yM (k)
主导变量
机理分析、选择辅 助变量
数据采集和预处理
建立软测量模型
输入-输出数据
控制装置上实现软 测量
8
4.1.4 软测量技术总结
“软测量技术”是把常规检测手段与被控对象的工艺、设备 有机结合起来，应用计算机信息处理、工艺规律建模、过程辨 识、人工智能学习等技术，对一些难于测量的过程变量进行推 断和估计的间接检测技术。
优势：建模简单 缺点：数据需求量大
输入x （辅助变量）
输入-输出数据对
xi , yi i 1, N
可选用的建模方法：
数据驱动建模
软测量模型
输出y （主导变量）
线性回归法：如PLS等 非线性回归法：多项式回归等 智能学习算法：神经网络等
黑箱建模原理图
6
4.1.2 软测量技术的核心
混合建模法
结合机理建模法与数据建模法的优势，利用数据建模方法对机理模 型中的未知参数或未知函数进行学习。
传感器-直接检测
互补
软测量-间接检测
• 测量准确、使用 可靠
• 难以应用于恶劣、 复杂生产环境
优化控制
• 通用性好、适用范 围宽
• 精度易受影响，需 要长期维护
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4.2 预测控制技术
1978年，Richalet J 在Automatica期刊上首次详细阐述了 预测控制算法产生的背景、机理及工业应用效果。
估计
T
• 条件1——与温度变化相关的可测量 • 条件2——可测量与温度之间的数学关系
T FT 可测变量#1, 可测变量#2, , 可测变量#k
4
4.1.2 软测量技术的核心
机理建模法
从过程内在的物理或化学规律出发，通过物料平衡、能量平衡或动 量平衡建立对象的输入输出关系模型。
优势：性能可靠，可用于过程特性分析 缺点：建模难度高
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4.2.2 模型算法控制
2）模型校正
利用当前时刻的模型误差进行模型校正(反馈校正法)，得到校正 后的预测输出分别为
yc (k 1) hˆ1u(k) hˆ2u(k 1) hˆNu(k N 1) y(k) yM (k) yc (k 2) hˆ1u(k 1) hˆ2u(k) hˆNu(k N 2) y(k) yM (k) yc (k P) hˆ1u(k P 1) hˆ2u(k P 2) hˆNu(k N P) y(k) yM (k)
现代过程控制基础
4 先进过程控制技术
信息学院
二○一七年十一月
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本章内容：
软测量技术 预测控制技术 模糊控制技术
2
4.1 软测量技术
15580
测温枪
电极加热系统
现场温度测量
温度
热电偶点测
过程基本参数 • 钢水容量: 100 t • 温度区间:
1520~1620℃ • 电极加热系统参数:
功率：13500 KW
y(k)
预测输出
yR (k )
输出的期望值曲线
u(k)
当前及未来时刻的控制量
0
1
2
L-1
当前时刻 基于模型的预测控制思路
Pk
11
4.2.1 预测控制的基本原理
预测模型：根据系统的历史信息（系统输出及控制作用）和未来输 入 ，预测系统未来的输出 。
具有展示系统未来动态行为的功能。
给系统施加不同的控制作用，根据不同控制策略下的预测输出变 化,可以对这些控制策略的优劣进行对比。
过去
未来
y1
y2 y
u2
u
u1
0
k
基于模型预测对不同的控制策略对比
12
4.2.1 预测控制的基本原理
e(k) yM (k) yR (k)
预测控制算法就是要按照预测输出与期望输出的偏差，依
据某一性能指标，计算当前及未来L个时刻的控制量，使得性
能指标最小 。
u(k)(k 0,1,2,, L 1)
能量的输入
电弧加热 Q1
钢水温度变化量
能量增量
能量的散失
包衬吸热 Q2
渣面散热 Q3 加料吸热 Q4
T Q1 Q2 Q3 Q4
csteel msteel
精炼过程能流图
5
4.1.2 软测量技术的核心
黑箱建模法（或称数据驱动建模法）
基于积累的过程运行数据，用统计学习、人工智能等方法建立对象的 输入输出关系模型。
预测控制算法的核心：
预测模型，反馈校正，滚动优化
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4.2.2 模型算法控制
1）预测模型
对于线性对象，其脉冲响应模型可以表示为 y(k) hiu(k i) i 1
对于渐进稳定对象，由于
lim
j
h
j
0
因此，对象的矩阵脉冲响应模型就可以近似表示为
N
yM (k) hˆiu(k i) i 1
模型在下一时刻到P个时刻的输出可以表示为
产生背景： ① 复杂工业过程模型无法精确表达 ② 计算机技术的飞速发展和在工业控制领域的应用。 ③ 工程应用角度，希望模型要求低、控制质量好、在
线实现方便。
预测控制是对数学模型依赖性不是很强的控制方法。
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4.2.1 预测控制的基本原理
相关变量说明:
设定值
过去 ys
过去的输出与控制
未来 yM (k)
优势：综合性能好 缺点：模型结构各异，建模难度高
参数估计器
变化
输入 数据 参数 模型
机理 输出 模型
混合模型结构示意图 (a)
输入
机理 模型
(函数关系已知部分)
数据 模型
(函数关系难确定部分)
混合模型结构示意图 (b)
模型 输出 融合 算法
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4.1.3 软测量技术的使用
辅助变量
软测量模型
建模方法
• 机理建模法 • 黑箱建模法 • 混合建模方法
钢包炉体
不能有效测量
准确性 连续性 及时性
• 经验估算 • 多步控制
• 经验估算误差大 • 生产节奏快
控制效率低、精度差
4.1.1 软测量技术的基本概念
软测量技术（soft sensor technique）
结合生产过程知识，应用计算），通过选择另外一些容易测量的变量（称为 辅助变量），并与主导变量构成某种数学关系来进行推断估计，以软件代 替硬件（传感器）。
yc Hu H1u1 ( y yM )
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4.2.2 模型算法控制
2）模型校正
yc Hu H1u1 ( y yM )
yc (k 1) hˆ1u(k) hˆ2u(k 1) hˆNu(k N 1) y(k) yM (k) yc (k 2) hˆ1u(k 1) hˆ2u(k) hˆNu(k N 2) y(k) yM (k)
主导变量
机理分析、选择辅 助变量
数据采集和预处理
建立软测量模型
输入-输出数据
控制装置上实现软 测量
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4.1.4 软测量技术总结
“软测量技术”是把常规检测手段与被控对象的工艺、设备 有机结合起来，应用计算机信息处理、工艺规律建模、过程辨 识、人工智能学习等技术，对一些难于测量的过程变量进行推 断和估计的间接检测技术。
优势：建模简单 缺点：数据需求量大
输入x （辅助变量）
输入-输出数据对
xi , yi i 1, N
可选用的建模方法：
数据驱动建模
软测量模型
输出y （主导变量）
线性回归法：如PLS等 非线性回归法：多项式回归等 智能学习算法：神经网络等
黑箱建模原理图
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4.1.2 软测量技术的核心
混合建模法
结合机理建模法与数据建模法的优势，利用数据建模方法对机理模 型中的未知参数或未知函数进行学习。
传感器-直接检测
互补
软测量-间接检测
• 测量准确、使用 可靠
• 难以应用于恶劣、 复杂生产环境
优化控制
• 通用性好、适用范 围宽
• 精度易受影响，需 要长期维护
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4.2 预测控制技术
1978年，Richalet J 在Automatica期刊上首次详细阐述了 预测控制算法产生的背景、机理及工业应用效果。
估计
T
• 条件1——与温度变化相关的可测量 • 条件2——可测量与温度之间的数学关系
T FT 可测变量#1, 可测变量#2, , 可测变量#k
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4.1.2 软测量技术的核心
机理建模法
从过程内在的物理或化学规律出发，通过物料平衡、能量平衡或动 量平衡建立对象的输入输出关系模型。
优势：性能可靠，可用于过程特性分析 缺点：建模难度高