第八章先进过程控制系统-PPT精品文档
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第八章先进过程控制系统
预测步长：优化所顾及的时段
J =
ω i [ y p ( k + i ) y r ( k + i )]2 ∑
i =1
P
非负加权系数，表示未来各采样时刻 的偏差在目标函数J中所占的比重
8.1 预测控制---控制算法
当P和L不等于1时，选取目标函数为：
J = YP (k ) Yr (k )
+ U 2 (k ) Q
预测长度P、控制长度L等参数的选取会对算法性能产生影响 1）预测长度P要求必须覆盖整个响应曲线的主要部分。P值大，预 测控制系统的鲁棒性越强，但动态响应变差，计算量和存储容量也 相应增大；P值大，对干扰的鲁棒性变差。通常，选取P=2L。 2）控制长度L值大，控制灵敏度高，系统稳定性和鲁棒性变差，计 算量和存储容量也相应增大；L值小，控制机动性差，控制灵敏度 差。通常，选取L在10以下。 3）控制加权矩阵R和误差加权矩阵Q应该同时加以考虑。R用于降低 控制作用的波动，使控制作用平稳变化。通常，R取较小的数值。
a1 0 0 aN aN1 a3 a2 a a 0 0 a a a 1 N 4 3 A2 = 2 A = 1 aP aP1 a1 P×P 0 0 aN aP+1P×(N1)
阶跃响应曲线
8.1 预测控制---预测模型
预测模型依赖于过程的内部特性，而与过程在k时刻的实际输出无 关，所以是基于非参数模型的开环预测模型。 采用反馈修正的方法对上述开环预测模型进行修正。
A( q 1 ) = I + A1q 1 + A2 q 2 + + An q n , Ai ∈ R n×n
B ( q 1 ) = B0 + B1 q 1 + B2 q 2 + + Bm q m , Bi ∈ R n× n
自动控制原理第八章非线性控制系统
稳定性定义
如果一个非线性系统在初始扰动下偏离平衡状态，但在时间推移过程中能够恢复到平衡状态，则称该系统是稳定 的。
线性系统稳定的必要条件
系统矩阵A的所有特征值均具有负实 部。
系统矩阵A的所有特征值均具有非正实 部，且至少有一个特征值为0。
劳斯-赫尔维茨稳定判据
劳斯判据
通过计算系统矩阵A的三次或更高次特征多项式的根的实部来判断系统的稳定性。如果所有根的实部 均为负，则系统稳定；否则，系统不稳定。
输出反馈方法
通过输出反馈来改善非线性系统的性能，实 现系统的稳定性和跟踪性能。
自适应控制方法
通过在线调整控制器参数来适应非线性的变 化，提高系统的跟踪性能和稳定性。
非线性系统的设计方法
根轨迹法
通过绘制根轨迹图来分析系统的稳定性，并 设计适当的控制器。
相平面法
通过绘制相平面图来分析非线性系统的动态 行为，进行系统的分析和设计。
感谢您的观看
THANKS
自动控制原理第八章非线性 控制系统
目录
• 非线性系统的基本概念 • 非线性系统的分析方法 • 非线性系统的稳定性分析 • 非线性系统的校正与设计 • 非线性系统的应用实例
01
非线性系统的基本概念
非线性系统的定义
非线性系统的定义
非线性系统是指系统的输出与输入之 间不满足线性关系的系统。在自动控 制原理中，非线性系统是指系统的动 态特性不能用线性微分方程来描述的 系统。
02
它通过将非线性系统表示为一 个黑箱模型，通过测量系统的 输入输出信号来研究其动态特 性。
03
输入输出法适用于分析具有复 杂结构的非线性系统，通过实 验测量和数据分析，可以了解 系统的动态响应和稳定性。
03
如果一个非线性系统在初始扰动下偏离平衡状态，但在时间推移过程中能够恢复到平衡状态，则称该系统是稳定 的。
线性系统稳定的必要条件
系统矩阵A的所有特征值均具有负实 部。
系统矩阵A的所有特征值均具有非正实 部，且至少有一个特征值为0。
劳斯-赫尔维茨稳定判据
劳斯判据
通过计算系统矩阵A的三次或更高次特征多项式的根的实部来判断系统的稳定性。如果所有根的实部 均为负，则系统稳定；否则，系统不稳定。
输出反馈方法
通过输出反馈来改善非线性系统的性能，实 现系统的稳定性和跟踪性能。
自适应控制方法
通过在线调整控制器参数来适应非线性的变 化，提高系统的跟踪性能和稳定性。
非线性系统的设计方法
根轨迹法
通过绘制根轨迹图来分析系统的稳定性，并 设计适当的控制器。
相平面法
通过绘制相平面图来分析非线性系统的动态 行为，进行系统的分析和设计。
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THANKS
自动控制原理第八章非线性 控制系统
目录
• 非线性系统的基本概念 • 非线性系统的分析方法 • 非线性系统的稳定性分析 • 非线性系统的校正与设计 • 非线性系统的应用实例
01
非线性系统的基本概念
非线性系统的定义
非线性系统的定义
非线性系统是指系统的输出与输入之 间不满足线性关系的系统。在自动控 制原理中，非线性系统是指系统的动 态特性不能用线性微分方程来描述的 系统。
02
它通过将非线性系统表示为一 个黑箱模型，通过测量系统的 输入输出信号来研究其动态特 性。
03
输入输出法适用于分析具有复 杂结构的非线性系统，通过实 验测量和数据分析，可以了解 系统的动态响应和稳定性。
03
第八章控制系统工程设计 过程控制系统课件
第八章 控制系统工程设计
8.1.3 自控系统工程设计的方法
接到一个工程项目后，在进行自控系统的工程设计时，一般应按照 以下所述的方法来完成。
（1）熟悉工艺流程 熟悉工艺流程是自控设计的第一步。自控设计人员对工艺流程熟悉
和了解的深度将决定设计的好坏与成败。在此阶段还需收集工艺中有关的 物性参数和重要数据。
而文字资料则是对设计第八章控制系统工程设计表81被测变量和仪表功能的字母代号首位字母后继字母被测变量修饰词读出功能输出功能修饰词a分析报警b喷嘴火焰供选用供选用供选用c电导率控制d密度差e电压电动势检测元件f流量比分数g供选用视镜观察h手动高i电流指示j功率扫描第八章控制系统工程设计自动手动操作器k时间时间程序变化速率l物位指示灯低m水分或湿度瞬动中中间n供选用供选用供选用供选用oo供选用节流孔p压力真空连接或测试点q数量积算累计r核辐射记录s速度频率安全开关联锁第八章控制系统工程设计t温度传送变送u多变量多功能多功能多功能v振动机械监视阀风门百叶窗w重量或力套管x未分类x轴未分类未分类未分类y供选用y轴继动器继电器计算器转换器z位置尺寸z轴驱动器执行元件第八章控制系统工程设计对于表81中所涉及的内容简要说明如下
第八章 控制系统工程设计
8.1.1 工程设计的基本任务和设计步骤
1．基本任务与设计宗旨 自控系统工程设计的基本任务是：依据生产工艺的要求， 以企业经济效益、安全、环境保护等指标为设计宗旨，对生产 工艺过程中的温度、压力、流量、物位、成分及火焰、位置、 速度等各类质量参数进行自动检测、反馈控制、顺序控制、程 序控制、人工遥控及安全保护（如自动信号报警与联锁保护系 统等）等方面的设计，并进行与之配套的相关内容（如控制室、 配电、气源，以及水、蒸汽、原料、成品计量等）的辅助设计。 在实际工作中，必须按照国家的经济政策，结合工艺特点 进行精心设计。一切设计既要注意厂情，又要符合国情，严格 以科学的态度执行相关技术标准和规定，在此基础上建树设计 项目的特色。总之，工程设计的宗旨应切合实际、技术上先进、 系统安全可靠、经济投入/效益比要小。
第八章现场总线控制系统
计算机
Profibus-DP
PLC
从站
PLC
主站
采用主站之间的令牌传递和主从站之间的主、从通信方式。
令牌传递
Publisher
(z.B. Lichtgitter)
Slave
DP-从站 2
PROFIBUS
DP-Master
PROFIBUS-DP 1类主站
PROFIBUS
DP-Master
PROFIBUS-DP 2类主站
费用可节省40%左右
现场总线系统的优势
几点说明
现场总线技术是DCS技术的继承和发展，而不是对DCS的否定或取代。工业上已出现DCS与现场总线系统混合使用的控制系统。 。
现场总线的优点主要是仪表的智能化、网络化、控制的分散化等先进技术所带来的好处，而不单单是节省电缆。
现场总线不能解决企业自动化的所有问题，例如ESD、MES、ERP等等，而是作为底层网络与其它自动化装置一起更好地实现企业综合自动化。
现场总线标准的制订工作起步很早，各大集团公司意见不一，经多年争论，2000年颁布了涵盖多种规范的总线标准，2003年扩展为10种类型的现场总线。
>IEC 61158 的标准现场总线
Type1：IEC 61158 技术报告。
Type2：ControlNet，得到CI组织的支持。
Type3：Profibus，得到PNO组织的支持。
应用行规2
应用行规1
通信协议
传输特性
专用应用行规
通用应用行规（可选）
PROFIBUS DP-V0~V2
RS 485 (PROFIBUS DP)
IEC 61158-2 (PROFIBUS PA)
传输特性(物理层)的DP采用RS-485通信标准，PA采用IEC 61158-2(MBP)传输技术。通信协议(数据链路层):采用DP-V0~V2。应用行规说明各种设备的功能和行为，有通用和专用应用行规。
Profibus-DP
PLC
从站
PLC
主站
采用主站之间的令牌传递和主从站之间的主、从通信方式。
令牌传递
Publisher
(z.B. Lichtgitter)
Slave
DP-从站 2
PROFIBUS
DP-Master
PROFIBUS-DP 1类主站
PROFIBUS
DP-Master
PROFIBUS-DP 2类主站
费用可节省40%左右
现场总线系统的优势
几点说明
现场总线技术是DCS技术的继承和发展，而不是对DCS的否定或取代。工业上已出现DCS与现场总线系统混合使用的控制系统。 。
现场总线的优点主要是仪表的智能化、网络化、控制的分散化等先进技术所带来的好处，而不单单是节省电缆。
现场总线不能解决企业自动化的所有问题，例如ESD、MES、ERP等等，而是作为底层网络与其它自动化装置一起更好地实现企业综合自动化。
现场总线标准的制订工作起步很早，各大集团公司意见不一，经多年争论，2000年颁布了涵盖多种规范的总线标准，2003年扩展为10种类型的现场总线。
>IEC 61158 的标准现场总线
Type1：IEC 61158 技术报告。
Type2：ControlNet，得到CI组织的支持。
Type3：Profibus，得到PNO组织的支持。
应用行规2
应用行规1
通信协议
传输特性
专用应用行规
通用应用行规（可选）
PROFIBUS DP-V0~V2
RS 485 (PROFIBUS DP)
IEC 61158-2 (PROFIBUS PA)
传输特性(物理层)的DP采用RS-485通信标准，PA采用IEC 61158-2(MBP)传输技术。通信协议(数据链路层):采用DP-V0~V2。应用行规说明各种设备的功能和行为，有通用和专用应用行规。
精品文档-计算机操作系统教程(第二版)(徐甲同)-第8章
（4） 网络传输的安全性。网络上数8.1.2 信息处理的基本模式 计算机网络是计算机及其应用技术与通信技术相结合的产
物，它是由计算机本身的系统结构逐渐演变过来的。它是由若 干台计算机以信息传输为主要目的而连接起来组成的系统，以 实现计算机或计算机系统之间的资源共享、数据通信、信息服 务与网络并行计算等为主要功能。
计算机网络作为一个信息处理系统，其构成的基本模式有 两种：对等模式和客户/服务器模式。
第8章 网络操作系统
1. 对等（Peer to Peer）模式 在对等模式中，网络上任一节点机所拥有的资源都作为网 络公用资源，可被其它节点机上的网络用户共享。在这种情况 下，一个节点机可以支持前、后台操作，当在前台执行应用程 序时，后台支持其它网络用户使用该机资源。也就是说，网络 上的一个节点机既可以作为客户机与其它节点机交往并访问其 资源，又可起到服务器的作用，它能管理本节点机的共享资源 并为其它节点机服务。此时可把对等模式中的节点机看成是客 户和服务器的组合体，因而有时也称其为组合站。
第8章 网络操作系统
3. 通信与同步 在计算机网络系统中，必须提供信息传输的基本功能，通 常以通信原语的形式出现。这些通信原语可供应用程序调用， 从而构成了用户与网络的接口。在两个进程的一次通信中，通 常可用发送（Send)原语和接收（Receive)原语来完成。但这两 条原语的执行也还存在两个问题，一是可靠性问题，二是同步 问题。
第8章 网络操作系统
(3) 网络服务软件。为支持服务器上资源共享，网络服务 器操作系统应提供一些核外实用程序供客户应用程序使用。这 些网络服务软件可以是文件服务、打印服务以及电子邮件服务 等。
(4) 网络安全管理软件。网络操作系统应对不同用户赋予 不同的访问权限，通过规定对文件和目录的存取权限等措施， 实现网络的安全管理。另外为了监测网络性能，及时了解网络 运行情况和发生故障，网络操作系统应配置网络管理软件。
物，它是由计算机本身的系统结构逐渐演变过来的。它是由若 干台计算机以信息传输为主要目的而连接起来组成的系统，以 实现计算机或计算机系统之间的资源共享、数据通信、信息服 务与网络并行计算等为主要功能。
计算机网络作为一个信息处理系统，其构成的基本模式有 两种：对等模式和客户/服务器模式。
第8章 网络操作系统
1. 对等（Peer to Peer）模式 在对等模式中，网络上任一节点机所拥有的资源都作为网 络公用资源，可被其它节点机上的网络用户共享。在这种情况 下，一个节点机可以支持前、后台操作，当在前台执行应用程 序时，后台支持其它网络用户使用该机资源。也就是说，网络 上的一个节点机既可以作为客户机与其它节点机交往并访问其 资源，又可起到服务器的作用，它能管理本节点机的共享资源 并为其它节点机服务。此时可把对等模式中的节点机看成是客 户和服务器的组合体，因而有时也称其为组合站。
第8章 网络操作系统
3. 通信与同步 在计算机网络系统中，必须提供信息传输的基本功能，通 常以通信原语的形式出现。这些通信原语可供应用程序调用， 从而构成了用户与网络的接口。在两个进程的一次通信中，通 常可用发送（Send)原语和接收（Receive)原语来完成。但这两 条原语的执行也还存在两个问题，一是可靠性问题，二是同步 问题。
第8章 网络操作系统
(3) 网络服务软件。为支持服务器上资源共享，网络服务 器操作系统应提供一些核外实用程序供客户应用程序使用。这 些网络服务软件可以是文件服务、打印服务以及电子邮件服务 等。
(4) 网络安全管理软件。网络操作系统应对不同用户赋予 不同的访问权限，通过规定对文件和目录的存取权限等措施， 实现网络的安全管理。另外为了监测网络性能，及时了解网络 运行情况和发生故障，网络操作系统应配置网络管理软件。
教学课件：第八章-DeltaV-串级控制
教学课件：第八章-deltav串级控制
• 引言 • deltav系统概述 • 串级控制原理 • deltav串级控制系统设计 • deltav串级控制系统的应用实例 • deltav串级控制系统的优势与挑战 • 结论
01
引言
主题简介
01
串级控制
串级控制是一种先进的控制系统架构，通过将多个控制器串联在一起，
环境条件，同时保障家庭安全，降低能源消耗。
应用实例三：机器人控制系统
要点一
总结词
要点二
详细描述
deltav串级控制系统在机器人控制领域中具有广泛的应用 前景，能够提高机器人的运动性能和自主性。
机器人在执行任务时需要精确、快速的控制，以确保其稳 定性和安全性。deltav串级控制系统通过将主控制器和子 控制器进行串联，实现对机器人各个关节的精确控制。这 种控制方式能够提高机器人的运动性能和自主性，使其在 复杂环境中更好地完成任务。同时，deltav串级控制系统 还能够降低机器人的能耗，延长其使用寿命。
应用实例二：智能家居系统
总结词
deltav串级控制系统在智能家居领域中发挥着重要作用，为家庭提供舒适、安全和节能 的生活环境。
详细描述
智能家居系统需要实现对家庭环境的实时监测和控制，以满足家庭成员的生活需求。 deltav串级控制系统能够将家庭中的各种设备进行有机串联，实现集中控制和智能化管 理。通过主控制器和子控制器的协同工作，能够为家庭提供舒适的温度、湿度、光照等
实践操作与案例分析
学习者应通过实践操作和案例分析，加深对DeltaV串级控制系统的理解和应用能力。可 以通过实验室或实际工业现场的实践操作，了解系统的实际运行情况和常见问题的解决方 法。
关注DeltaV串级控制系统的最新发展
• 引言 • deltav系统概述 • 串级控制原理 • deltav串级控制系统设计 • deltav串级控制系统的应用实例 • deltav串级控制系统的优势与挑战 • 结论
01
引言
主题简介
01
串级控制
串级控制是一种先进的控制系统架构，通过将多个控制器串联在一起，
环境条件，同时保障家庭安全，降低能源消耗。
应用实例三：机器人控制系统
要点一
总结词
要点二
详细描述
deltav串级控制系统在机器人控制领域中具有广泛的应用 前景，能够提高机器人的运动性能和自主性。
机器人在执行任务时需要精确、快速的控制，以确保其稳 定性和安全性。deltav串级控制系统通过将主控制器和子 控制器进行串联，实现对机器人各个关节的精确控制。这 种控制方式能够提高机器人的运动性能和自主性，使其在 复杂环境中更好地完成任务。同时，deltav串级控制系统 还能够降低机器人的能耗，延长其使用寿命。
应用实例二：智能家居系统
总结词
deltav串级控制系统在智能家居领域中发挥着重要作用，为家庭提供舒适、安全和节能 的生活环境。
详细描述
智能家居系统需要实现对家庭环境的实时监测和控制，以满足家庭成员的生活需求。 deltav串级控制系统能够将家庭中的各种设备进行有机串联，实现集中控制和智能化管 理。通过主控制器和子控制器的协同工作，能够为家庭提供舒适的温度、湿度、光照等
实践操作与案例分析
学习者应通过实践操作和案例分析，加深对DeltaV串级控制系统的理解和应用能力。可 以通过实验室或实际工业现场的实践操作，了解系统的实际运行情况和常见问题的解决方 法。
关注DeltaV串级控制系统的最新发展
过程控制系统
3.余差 余差 余差是指过渡过程结束后,被控量新的稳态值与设定值的差值. 余差是指过渡过程结束后,被控量新的稳态值与设定值的差值. 是指过渡过程结束后 它是过程控制系统稳态准确性的衡量指标. 它是过程控制系统稳态准确性的衡量指标. 4.调节时间 和振荡频率 调节时间ts和振荡频率 调节时间 调节时间ts是从过渡过程开始到结束的时间. 调节时间 是从过渡过程开始到结束的时间. 是从过渡过程开始到结束的时间 过渡过程的振荡频率是振荡周期的倒数, 过渡过程的振荡频率是振荡周期的倒数,即 振荡频率是振荡周期的倒数 在同样的振荡频率下,衰减比越大则调节时间越短; 在同样的振荡频率下,衰减比越大则调节时间越短;当衰减比相 同时,则振荡频率越高,调节时间越短. 同时,则振荡频率越高,调节时间越短. 振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控制系统快速性的指标. 振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控制系统快速性的指标. SCAU
教学方法和要求
课堂理论讲授为主 结合工程项目,要求同学们能进行分析工 业过程的控制原理 能够设计简单的单回路控制系统 使用Matlab完成特殊控制的仿真
考试和成绩评定方法
考试方式:闭卷 期末成绩比例:平时SCAU
第一章 绪论
过程控制与自控原理的关系 过程控制的任务与目标 过程系统的组成和特点 性能指标 过程控制发展的概况 控制策略与算法进展
SCAU
3 生产过程的要求 安全性:生产过程中,确保人身和设备安全, 生产过程中,确保人身和设备安全, 生产过程中 是最重要和最基本的要求. 是最重要和最基本的要求 稳定性:系统抑制外部干扰,保持生产过程 系统抑制外部干扰, 系统抑制外部干扰 长期稳定运行的能力. 长期稳定运行的能力 经济性:低成本高效益是过程控制的另一个 低成本高效益是过程控制的另一个 目标. 目标 4 举例 液位控制 火力发电厂 热交换温度控制系统
复杂过程控制系统
EXIT
第14页
过程控制及仪表
2．相对增益
在多变量过程控制系统中，虽然变量间相互关联，然而 总有一个操纵变量对某一被控变量旳影响是最基本旳， 对其他被控变量旳影响是次要旳，这就是操纵变量与被 控变量间旳搭配关系，也就是常说旳变量配对。
相对增益便是用来衡量一种选定旳操纵变量与其配正 确被控变量间相互影响旳尺度。
EXIT
第13页
过程控制及仪表
该系统中被控变量有两个，分别是塔顶温度T1 和塔底 温度T2；操作变量也有两个，即加热蒸汽流量Q2和回流 Q3。
T1C为塔顶温度控制器，其输出P1控制回流控制阀， 控制塔顶旳回流量，实现对塔顶温度T1旳控制。
T2C为塔底温度控制器，其输出P2控制再沸器加热蒸 汽控制阀，控制加热蒸汽流量Q2，实现对塔底温度T2旳 控制。
EXIT
第20页
过程控制及仪表
2．教授系统旳特点
教授系统经过移植到计算机内旳相应知识，模拟人类教 授旳推理决策过程。这一人工智能处理措施与常规旳软 件程序相比，具有如下旳明显特征：
1）教授系统是一种知识信息处理系统。 2）教授系统具有高度灵活旳问题求解能力。
3）教授系统具有启发性和透明性。
EXIT
第4页
EXIT
过程控制及仪表
根据其设计原理和构造旳不同，主要涉及： 增益调度自适应控制; 模型参照自适应控制系统; 自校正控制系统等。
EXIT
第5页
过程控制及仪表
1．增益调度自适应控制
这是一种最为简朴旳自适应控制系统，主要经过监测 过程旳运营条件来变化控制器旳参数，以此补偿系统 受环境等条件变化而造成对象参数变化旳影响，故称 为增益调度自适应控制。
第21页
过程控制及仪表
过程控制系统教学大纲精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版教学大纲英文课程名称：Process Control课程编号：0201508总学时：48 （其中理论课学时：44 实验学时：4）总学分：3先修课程：微机原理与接口技术、自动控制理论Ⅰ、检测仪表及检测技术适用专业：自动化开课单位：电子信息与控制工程学院自动化教研室执笔人：张新荣审校人：刘星萍一、课程教学内容第一章绪论第一节过程控制系统的组成及其分类简单控制系统的组成；控制系统按照给定信号分类；按照控制结构分类。
第二节过程控制系统的特点第三节过程控制系统的质量指标第四节过程控制系统的发展概况自动化控制系统的几个发展时期的时间。
第二章被控过程的数学模型第一节概述建立被控过程数学模型的目的；被控过程数学模型的类型。
第二节解析法建立过程的数学模型单容水槽过程、双容水槽过程数学模型机理建模方法；液阻、液容的概念；阶跃响应曲线特点；有时延单容水槽过程、有时延双容水槽过程数学模型；多容过程数学模型。
第三节响应曲线辨识过程的数学模型由对象阶跃响应曲线用作图法及两点法确定对象的传递函数。
第三章变送单元第一节概述变送的基本概念。
各种差压变送器结构、原理、特点。
第三节温度变送器温度变送器组成、工作原理及线性化原理。
第七节微型化、数字化和智能化变送器变送器的发展趋势；各种微型化、数字化和智能化变送器的结构、原理。
第四章调节单元概述调节器基本概念；PID控制规律；各控制规律的特点；参数改变对控制质量的影响。
第一节 DDZ—Ⅲ型调节器DDZ-Ⅲ型调节器输入部分；PI部分；PD部分；硬手动；软手动电路；输出部分工作原理。
第二节改进型调节器抗积分饱和调节器；微分先行PID调节器；比例微分先行PID调节器。
第三节数字式调节器数字式调节器组成、特点、应用。
第五章执行单元第一节概述执行器的作用；执行器的分类。
第二节电动执行机构电动执行机构结构、工作原理。
第三节气动执行机构气动执行机构结构、工作原理、作用形式。
第四节气动薄膜调节阀调节阀的工作原理；调节阀的分类；调节阀的选择。
第8章YANG复杂过程控制系统
为了方便研究将被 控制对象的特性分 为静态和动态两部 分，以下解耦方法 主要研究系统的静 态特性！
耦合程度的度量方法
1)第一放大系数——开环增益
u1
K11 g11
K 21 g 21 K12 g12
y1 k11 u1
u2 const
K 22 g 22
各个系统处于开环状态，此时给u1加入扰动则y1和y2都发生 变化，则相应的变化增益为 yi Kij |uk const ,k 1,2 n,k j u j
则 GD (s) G0 (s)diagg Pii (s)
1
即
GD (s) G0 (s)diagg Pii (s)
1
1 adjG0 ( s)diagg Pii ( s) G0 ( s)
0 g022 (s) g012 (s) g P11 (s) 0 g ( s) g ( s) g ( s ) 011 P 22 021 g011 (s) g022 (s) g012 (s) g021 (s)
T2C输出 T1C输出 T2
Qs
T1 T 进料F 精 馏 塔
T1 C
回流罐
回流QL
塔顶产品QD
T2 C
T2 T
回流量QL T1
蒸汽QS
u2
再沸器
塔底产品QW
精馏塔温度控制系统
实例3：流量与 压力耦合控制
干扰使压力升高→通过调 节→开大阀1的开度，增加 旁路回流量，减小排出量， 迫使压力回到给定值上； 同时，压力的升高→调节 阀2前后的压差增大，导致 流量增大。 此时，通过流量控制回 路，关小调节阀2的阀门开 度，迫使阀后流量回到给定 值上。由于阀后流量的减小 又将引起阀前压力的增加。 结果导致系统无法工作。
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第八章 先进过程控制系统
主要内容
8.1 预测控制
8.2 自适应控制 8.3 统计过程控制
8.4 控制系统故障诊断和容错控制
8.5 软测量和推断控制系统
电气工程系
Department of Electrical Engineering
8.1 预测控制
利用当前的和过去的偏差值，及预测模型来预估过程未来的偏 差值，以滚动确定当前的最优输入策略。
具有对数学模型要求不高、 能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、 对模型偏差具有较强的鲁 棒性等优良性质。
电气工程系
Department of Electrical Engineering
8.1 预测控制---原理
预测控制结构
电气工程系
Department of Electrical Engineering
T
控制步长
二次型目 标函数
预测步长：优化所顾及的时段
2 J [ y ( k i ) y ( k i ) ] i p r i 1 P
非负加权系数，表示未来各采样时刻 的偏差在目标函数J中所占的比重
电气工程系
Department of Electrical Engineering
阶跃响应曲线
电气工程系
Department of Electrical Engineering
8.1 预测控制---预测模型
预测模型依赖于过程的内部特性，而与过程在k时刻的实际输出无 关，所以是基于非参数模型的开环预测模型。
采用反馈修正的方法对上述开环预测模型进行修正。
设闭环预测模型为Yp(k+1),则有 加权系 数向量 k时刻实际过程的 输出测量值 k时刻预测模型的 输出值
8.1 预测控制---预测模型
常用模型:脉冲响应模型、阶跃响应模型、可控自回归滑动平均模
型（CARMA）、可控自回归积分滑动平均模型（CARIMA）等。
设线性多变量系统的离散模型描述为： 输出 输入 干扰量
1 1 A ( q ) Y ( k ) B ( q )( U k 1 ) W ( k )来自ˆ h N 1 ˆ h
N
ˆ h 3 ˆ h
4
0
ˆ h N
ˆ h 2 ˆ h 3 ˆ h P1 P( N 1)
ˆ h 1 ˆ h H2 2 h ˆ P
0 ˆ h
1
ˆ h P 1
0 0 ˆ h 1 P P
脉冲响应曲线
8.1 预测控制---参考轨迹
考虑到过程的动态特性，为避免过程输出的急剧变化， 要求过程输出沿着事先指定的一条随时间而变化的轨 迹达到给定值，即参考轨迹。
以k时刻实际输出为起始，yr在未来k+i时刻的值为: 参考轨迹
i j y ( k i ) y ( k ) ( 1 ) y r d y k ) y ( k ) r(
Y ( k 1 ) Y ( k 1 ) H [ y ( k ) y ( k ) ] p m 0 m
引入反馈校正,有效克服了模型的不精确性和系统中存在的不确定 性所造正的不利影响，提高了系统的精度和鲁棒性。
电气工程系
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过程输出给定值
i 1 ,2 ,
,P
采样周期
TT e
r
采样周期参考轨迹 的时间常数
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8.1 预测控制---控制算法
控制算法是找到一组能满足性能指标的 控制作用，使选定的目标函数最优。
控制作用
U ( k )[ u ( k ) ,( u k 1 ) , ,( u k L ) ]
1 1 2 n n n A ( qI ) A q A q A q , A R 1 2 n i
1 1 2 m n n B ( q ) B B q B q B q , B R 01 2 m i
电气工程系
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8.1 预测控制---预测模型
预测模型的向量形式为：
Y ( k 1 ) H U ( kH ) U ( k 1 ) m 1 1 2 2
T U ( k ) [ u ( k N 1 ) , u ( k N 2 ) ,, u (1 k ) ] 1
ˆ h N 0 H1 0
8.1 预测控制---控制算法
当P和L不等于1时，选取目标函数为：
J Yk () Y () kQ U () kR P r 2
T T [ Y ( k ) Y ( k ) ] Q [ Y ( k ) Y ( k ) ] U ( k ) R U ( k ) P r P r 2 2
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8.1 预测控制---预测模型
预测模型的向量形式为：
ˆ Y ( k 1 ) a U ( k ) A U ( k ) A U ( k 1 ) m s 11 22
T Y (1 k ) [ y (1 k ) , y (2 k ) ,, y ( k P ) ] m m m m
T U ( k ) [ u ( k N ) , u ( k Nu 1 ) ,, ( k N P 1 ) ]
T U ( ku ) [ ( k N 1 ) ,( u k N 2 ) , ,( u k 1 ) ] 1
T U ( k 1 ) [ u ( k ) , u ( k 1 ) ,, u ( k P 1 ) ] 2
ˆN a ˆN1 a 0 a ˆN A1 0 0
ˆ3 a ˆ2 ˆ1 0 a a a ˆ a ˆ1 ˆ4 a ˆ3 a A2 2 ˆP a ˆ P 1 ˆN a ˆP1P(N1) a a
0 0 ˆ1 P P a
主要内容
8.1 预测控制
8.2 自适应控制 8.3 统计过程控制
8.4 控制系统故障诊断和容错控制
8.5 软测量和推断控制系统
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8.1 预测控制
利用当前的和过去的偏差值，及预测模型来预估过程未来的偏 差值，以滚动确定当前的最优输入策略。
具有对数学模型要求不高、 能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、 对模型偏差具有较强的鲁 棒性等优良性质。
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8.1 预测控制---原理
预测控制结构
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T
控制步长
二次型目 标函数
预测步长：优化所顾及的时段
2 J [ y ( k i ) y ( k i ) ] i p r i 1 P
非负加权系数，表示未来各采样时刻 的偏差在目标函数J中所占的比重
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阶跃响应曲线
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8.1 预测控制---预测模型
预测模型依赖于过程的内部特性，而与过程在k时刻的实际输出无 关，所以是基于非参数模型的开环预测模型。
采用反馈修正的方法对上述开环预测模型进行修正。
设闭环预测模型为Yp(k+1),则有 加权系 数向量 k时刻实际过程的 输出测量值 k时刻预测模型的 输出值
8.1 预测控制---预测模型
常用模型:脉冲响应模型、阶跃响应模型、可控自回归滑动平均模
型（CARMA）、可控自回归积分滑动平均模型（CARIMA）等。
设线性多变量系统的离散模型描述为： 输出 输入 干扰量
1 1 A ( q ) Y ( k ) B ( q )( U k 1 ) W ( k )来自ˆ h N 1 ˆ h
N
ˆ h 3 ˆ h
4
0
ˆ h N
ˆ h 2 ˆ h 3 ˆ h P1 P( N 1)
ˆ h 1 ˆ h H2 2 h ˆ P
0 ˆ h
1
ˆ h P 1
0 0 ˆ h 1 P P
脉冲响应曲线
8.1 预测控制---参考轨迹
考虑到过程的动态特性，为避免过程输出的急剧变化， 要求过程输出沿着事先指定的一条随时间而变化的轨 迹达到给定值，即参考轨迹。
以k时刻实际输出为起始，yr在未来k+i时刻的值为: 参考轨迹
i j y ( k i ) y ( k ) ( 1 ) y r d y k ) y ( k ) r(
Y ( k 1 ) Y ( k 1 ) H [ y ( k ) y ( k ) ] p m 0 m
引入反馈校正,有效克服了模型的不精确性和系统中存在的不确定 性所造正的不利影响，提高了系统的精度和鲁棒性。
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过程输出给定值
i 1 ,2 ,
,P
采样周期
TT e
r
采样周期参考轨迹 的时间常数
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8.1 预测控制---控制算法
控制算法是找到一组能满足性能指标的 控制作用，使选定的目标函数最优。
控制作用
U ( k )[ u ( k ) ,( u k 1 ) , ,( u k L ) ]
1 1 2 n n n A ( qI ) A q A q A q , A R 1 2 n i
1 1 2 m n n B ( q ) B B q B q B q , B R 01 2 m i
电气工程系
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8.1 预测控制---预测模型
预测模型的向量形式为：
Y ( k 1 ) H U ( kH ) U ( k 1 ) m 1 1 2 2
T U ( k ) [ u ( k N 1 ) , u ( k N 2 ) ,, u (1 k ) ] 1
ˆ h N 0 H1 0
8.1 预测控制---控制算法
当P和L不等于1时，选取目标函数为：
J Yk () Y () kQ U () kR P r 2
T T [ Y ( k ) Y ( k ) ] Q [ Y ( k ) Y ( k ) ] U ( k ) R U ( k ) P r P r 2 2
电气工程系
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8.1 预测控制---预测模型
预测模型的向量形式为：
ˆ Y ( k 1 ) a U ( k ) A U ( k ) A U ( k 1 ) m s 11 22
T Y (1 k ) [ y (1 k ) , y (2 k ) ,, y ( k P ) ] m m m m
T U ( k ) [ u ( k N ) , u ( k Nu 1 ) ,, ( k N P 1 ) ]
T U ( ku ) [ ( k N 1 ) ,( u k N 2 ) , ,( u k 1 ) ] 1
T U ( k 1 ) [ u ( k ) , u ( k 1 ) ,, u ( k P 1 ) ] 2
ˆN a ˆN1 a 0 a ˆN A1 0 0
ˆ3 a ˆ2 ˆ1 0 a a a ˆ a ˆ1 ˆ4 a ˆ3 a A2 2 ˆP a ˆ P 1 ˆN a ˆP1P(N1) a a
0 0 ˆ1 P P a