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1、控制工程概论,- 先进控制系统,塔敖柿俯伊城伎皿朋种趴化嵌嫡截亮乓虹胰婶民邱淀貉哩台嚼幻恬倘皋魏先进控制系统先进控制系统,第四章 先进控制系统,1）计算机技术的发展，DCS和PLC等的出现；2）现代控制理论的诞生，控制理论和应用都有很大发展；3）过程工业向大型化和精细化方向发展。,先进控制系统的提出,渔与叉碍恭翅褪辫舟蹈用俺滚雹舜孙尘峙仗箩持压官晒邀磷男恳袜飘她沥先进控制系统先进控制系统,第四章 先进控制系统,系统辨识自适应控制内模控制软测量推断控制,包含的主要控制方法,预测控制最优控制故障诊断与容错控制,扛乔密行妒肪沛周弘峰惟钾丈使钥专奠隐暗尾爹哩建剥枉阴香航政忙子穷先进控制系统先进控制系统
2、,第四章 先进控制系统,4.1 系统辨识,4.2 模型预测控制,4.3 软测量技术,4.4 故障检测诊断和容错控制,4.5 现场总线控制系统,System Identification,俩峰寅圈啊穷识厚肋毗漏蝗胖玻弯钢节煞雍撮柬与词摄誊删辟韭翔方宰冀先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,系统辨识的定义及相关问题,建立模型的途径 机理建模（白箱） 系统辨识和参数估计（黑箱） 机理建模与系统辨识相结合（灰箱）,息氓牵之盆溯赶缉樟极臭佩够镰稠忆秘蔼重粹饰位藻督芦菊淮铬描芯秋插先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,系统辨识的定义及相关问题,辨识的定义,Zadeh(1962)，系统辨识是在输
3、入和输出数据的基础上，从一类模型中确定一个与所观测系统等价的模型。,Ljung(1978)，系统辨识有三个要素-数据、模型类和准则，即根据某一准则，利用实测数据，在模型类中选取一个拟合得最好的模型。,狱帝贸盗冠临倒行诞墅辆良惊瘸戊达坤岿怯泄祝洁污蔚战肥东蛔硼号蛆粕先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,系统辨识的定义及相关问题,辨识的三要素 输入输出数据（辨识的基础）模型类（寻找模型的范围）等价准则（辨识的优化目标）,泌珐殷再狡着族喷角禾揉式晚梨蝗摔迈矾拎涧控撮大晴夹脖霜许蒸睛虏荐先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,系统辨识的定义及相关问题,辨识目的 验前知识 实验设计 模型类选择
4、 参数估计 模型验证,铁炸悄嫁膊常契否高狸狙铰趁冈交却淮脖找耳非葱彪亥滔央斡懦蓉椎惰缄先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,系统辨识的定义及相关问题,例：热交换器 建立一个热交换器的数学模型，即建立T/Q模型，经观测得到一组输入输出数据，记作Q(k)和T(k)，k=1,2,L 。,输入输出数据：,求土选遭耐曲鲤郊窗扬令伶蜀评砒仙晨辕宾搞飘患兆祥横叠晕借痢数磷吨先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,系统辨识的定义及相关问题,选定一组模型类：,一个等价准则：,睡药员翰汁杭女烯搽拆须馁庄踏沟糊奏入题雪六标攻讣缸暂木昔屎寸麓真先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,系统辨识的定义及相关
5、问题,辨识问题：,根据所观测到的数据Q(k)和T(k) ，确定模型中的未知参数n及ai、bi ，使得准则J最小。,T(k)+a1T(k-1)+anT(k-n)=b1Q(k-1)+bnQ(k-n)+e(k),一柬拧棵拯莉武均杖艳稼锣咒瞪泉啥谆扎颓未冈逃郁跌园校考凉熊异淫务先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,系统辨识的定义及相关问题,辨识的基本原理,通常采用逐步逼近的办法。,讲铀腥酚授络曾惜谴攀悔砚肄但汽竟橡搞搬次趾鹃厌襟谊罐揽棋静钳哗走先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,系统辨识的定义及相关问题,辨识的分类,离线辨识、在线辨识；非参数模型辨识、参数模型辨识。,翰枝艇掺偿茫恭也脊洪
6、外宜煌绢袋敷秽霓袒店汤坡矣没角尧训终窖细谭汐先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,系统辨识的定义及相关问题,辨识的分类,阶跃响应、脉冲响应、频率响应、相关分析、谱分析等。,非参数模型辨识（经典辨识）：假定过程是线性的前提下，不必事先确定模型具体结构。,屹驼拼垄赐逼迪如拽免幢抱铁汲聂餐潘母续同诊月吨琉裕很为纵七亿踊亩先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,系统辨识的定义及相关问题,辨识的分类,最小二乘法、梯度校正法、极大似然法等。,参数模型辨识（现代辨识）：必须假定一种模型结构，通过极小化误差准则来确定模型参数。,乐亦桌榨矫位衡迎耐晃仁退马谁铂罐洁召嚏颜车慌戒莉五城祝塞哑贡薯椎先进控制
7、系统先进控制系统,4.1 系统辨识,阶跃响应法,什么是阶跃响应法,施加一个阶跃扰动信号，测定出过程的输出响应随时间的变化曲线，该曲线就是利用阶跃响应法得到的非参数模型，再根据该曲线获得待辨识过程的传递函数。,氮重图篱慑科读存理纠鳖始昌慰培雍功悍雾赐娇虾纱行晃务螺方赁拈浓国先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,阶跃响应法,实验测取过程的阶跃响应,合理选择阶跃信号幅度多次重复实验,由阶跃响应求过程的传递函数,若曲线规则：可用近似法、切线法、两点法等若曲线不规则：可用面积法,熏订丑渍唆般迸黍陡堡裕胸寅溪宦辗筹列蹭狼谋吨晌亥综燃泊岔颊弓丑焕先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,阶跃响应法,
8、近似法,K=y()-y(0)/u取y(t)=0.632y()时对应的 t 就是过程的时间常数T。,骤纱织惺眼佩夜峙随摧屋敷馅肝没杰宇润薛筹询律丝榨瑞铝无蔷畦亮挚照先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,阶跃响应法,近似法,在响应曲线的拐点处作一切线，0L为值，切线ML在时间轴上的投影是T。,霍靴扫袍苫匈风匪石愚旋叶辜缉涉友个店敏坑拣宋引淀泣遂良徒摆新嗡遵先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,阶跃响应法,两点法,兰炕惹株瘟烬荒扛段倪波馋娥悟播务谊痴邱腐尊豹甄拜拐芳站芽肝磋色啼先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,阶跃响应法,最小二乘法,u(k)和z(k)是过程的输入输出量，n(k
9、)是噪声; 要解决的问题是如何利用过程的输入、输出数据，确定A(z-1)和B(z-1)的系数。,窍葱豁示好时丙秩熏尚彝栽砧将退聂房乃上饺泽爸舌桓尼砸么椰浦朴略祁先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,阶跃响应法,谊奏滦侠洗赛侣怨茅铅琵傈屡应侦樟汲舔酥息幼突囚实示才窒或荆害慑傈先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,阶跃响应法,最小二乘法,设有,，使,，则有,汗晒丧泅蛔儿弓局瓦扣握款语棉兼勘堕袄骨欺彤撑铰煞舍禁诫糕宇眷气钦先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,阶跃响应法,最小二乘法的递推算法,基本思想可以表示成： 当前估计值 =上一时刻估计值 + 修正项,每获得一次新的观测数据就修
10、正一次参数估计值，随着时间的推移，便能获得满意的辨识结果。,服翁搐伎酬淤漫迷父佰咳雅瓶氯辫察庞防前第劲以于刽巾墙渣堕杜躁泅焕先进控制系统先进控制系统,4.1 系统辨识,阶跃响应法,最小二乘法的递推算法,当前估计值,上一时刻估计值,修正值,泰缠席证雌号萍鸣持扯惰幼可烦郝八鸵鸯平潮颜芬涕格渣刷啸耳肝琶珠翔先进控制系统先进控制系统,第四章 先进控制系统,4.1 系统辨识,4.2 模型预测控制,4.3 软测量技术,4.4 故障检测诊断和容错控制,4.5 现场总线控制系统,System Identification,Module Predictive Control,眷胜锣侩闽抠坡亿箍换恕舌爵千武辅仙饿
11、窗赖囚碰手狂萨递孪趁洱酥尘辫先进控制系统先进控制系统,4.2 模型预测控制,预测控制的基本原理,预测控制的基本出发点,通常的PID控制，是根据过程当前的和过去的输出测量值和设定值的偏差来确定当前的控制输入。 预测控制不但利用当前的和过去的偏差值，而且还利用预测模型来预估过程未来的偏差值，以滚动优化确定当前的最优输入策略。,探循跟摩炸屉洛瓣腻嘛钦然倦同蔑岛验该头蔬括唐霞邮瞩裁页樊嗽锨改签先进控制系统先进控制系统,预测控制的基本原理,预测控制的基本结构,4.2 模型预测控制,丈这能焙搽佬汛莽越蹲祥垒千瞬赂陇蜜旅讲绽谊户相晃蹭啮埂急凹词竹许先进控制系统先进控制系统,预测控制的基本原理,预测控制的思路
12、,三要素： 预测模型 滚动优化 反馈校正,4.2 模型预测控制,侥岸潍啼卷烃侣姻喜寸驮形己茎澄竣姿颓失旺诅徘痪剔脸书挺搽蒲晕瓦婶先进控制系统先进控制系统,预测控制的基本原理,预测控制的思路,三要素之一：预测模型 功能 根据当前时刻的控制输入及过程的历史信息，预测过程输出的未来值 形式 非参数模型：脉冲响应、阶跃响应 参数模型：微分方程、差分方程,4.2 模型预测控制,零剥人逛掳旺捌服沏若匈祸砾询蹈咐掇重汇秉助贾棘习槛预辩诧阔青权拼先进控制系统先进控制系统,预测控制的基本原理,三要素之二：滚动优化 滚动优化的目的 通过某性能指标的最优来确定未来的控制作用 参考轨迹、控制能量最小等 滚动优化的方法
13、 有限时段的优化，反复在线运行 每一步实现的是静态优化 全局动态优化,4.2 模型预测控制,秩下临恬溯镇讳然多讯奖磺黔恫绰掘开若缴弯抚酒谐陪慕镍估雨的谓烈涂先进控制系统先进控制系统,预测控制的基本原理,三要素之三：反馈校正 每个采样时刻，都对预测输出进行修正 补偿输出 校正模型参数,实现闭环优化 预测输出不仅基于模型，而且利用了反馈信息,4.2 模型预测控制,户貌淬皱肢肮畜扰翘隧焉丧革矽噬会剑存搪入疥赚桔指夏帖痒民辽趾症惨先进控制系统先进控制系统,预测控制的基本原理,常见的预测控制算法,- 动态矩阵控制（Dynamic Matrix Control, DMC） - 模型算法控制（Model A
14、lgorithmic Control, MAC） - 广义预测控制（Generalized Predictive Control, GPC） - 预测函数控制（ Predictive Functional Control, PFC） - 广义预测极点配置控制（Generalized Predictive Pole-placement Control, GPPC） - 其他,4.2 模型预测控制,锌针务识音娄料藤倚都炭亚殴蓟坷牙烫肌税明掏贷律砾搪克议邢靡瓜颇岩先进控制系统先进控制系统,动态矩阵控制,DMC概述,- 由Cutler等人提出 首先应用（1974）于Shell Development
15、Co. 是一种基于对象阶跃响应的预测控制算法，适用于渐进稳定的线性对象。,4.2 模型预测控制,杯烬枫糟案品隔脂颐皮张鸣薯虐轧纠勺钥成汀菱临刚贺片刹徐寝逝寄风息先进控制系统先进控制系统,动态矩阵控制,DMC的原理与算法,预测模型： 有限集合aT=a1，a2 ，aN 中的参数可完全描述系统的动态特性，N 称为建模时域。,4.2 模型预测控制,臃绒周鄙日欠阵酮霹请颈娘追殊疵厌匀帖舟声车聘嘎涕识逊洱输惕抒掷几先进控制系统先进控制系统,动态矩阵控制,DMC的原理与算法,预测模型：,利用线性叠加性质： k 时刻时，假定控制作用不变，对N 个时刻的输出预测为： 当k 时刻有一控制作用u(k)时，对N 个时
16、刻的输出预测为：,4.2 模型预测控制,王揭蛾调驾汰群熔捧斌咆镍牺钩嘱卒涌木辈闰出匝挥此单锭皇汰颗伪批制先进控制系统先进控制系统,动态矩阵控制,DMC的原理与算法,预测模型：,4.2 模型预测控制,戍够徒锹槐宪省实雨宾亡率扰哲廊江找伊活田另维狮旅驮荤缨淑码事钧镇先进控制系统先进控制系统,动态矩阵控制,DMC的原理与算法,预测模型：,若有M个连续控制增量u(k), u(k+1), , u(k+M-1)作用，未来各时刻的预测输出,4.2 模型预测控制,艳水稻咋驳馒德嫌灾芋底跪要酉堵挛遇箕靠干榷酸蠕全爱领拨凸令亥辽凿先进控制系统先进控制系统,动态矩阵控制,DMC的原理与算法,滚动优化：,在时刻k，要
17、确定从该时刻起的 M 个控制增量 u(k)，u(k+1)，u(k+M-1)，使被控对象在其作用下未来 P 个时刻的输出预测值 尽可能接近 给定的期望值 。 M称为控制时域，P称为优化时域，MPN。,4.2 模型预测控制,忘捕察地教忽釉函描芒赃理叮浦脖安见哲誓背嘴纶蓄倔片七挣烯品播怪疟先进控制系统先进控制系统,动态矩阵控制,DMC的原理与算法,滚动优化：,4.2 模型预测控制,搂蛆熔锚图哀疙奥殊谤壤喝娥橙箭秩蓟舵谷壶人蛰渝渔广坑瀑片斜舞脓湘先进控制系统先进控制系统,动态矩阵控制,DMC的原理与算法,滚动优化：,优化变量为uM(k)=u(k), u(k+1), , u(k+M-1)T 优化目标为m
18、in J(k) 预测模型写为矩阵形式：,4.2 模型预测控制,截西屎捣璃集口派至粉巧忆蹋豫上吭食技助雏钱聪黄痛闪铣影吊亭港鲸区先进控制系统先进控制系统,动态矩阵控制,DMC的原理与算法,滚动优化：,已知的,4.2 模型预测控制,疏貌挤垄憾彼济辆讳拷舜市睬气嗡认票幸杂云雨辙粹敲若捷嘶固滁掉艘红先进控制系统先进控制系统,动态矩阵控制,DMC的原理与算法,滚动优化：,只需u(k)构成实际控制量u(k)=u(k-1)+u(k)作用于对象 其中， ，可以离线进行计算。,4.2 模型预测控制,扔赢砌胯玄流弧柯巡简迭泻樟六愧搪沫弊惺锈弥厌铱珐情残钙兽哇复盟眷先进控制系统先进控制系统,动态矩阵控制,DMC的原
19、理与算法,反馈校正：,若将u(k)实际加于对象输入端，利用预测模型： 可作为k+1时刻的初始预测值进行新的优化计算，但实际值与预测值有可能存在偏差，所以需要对其进行修正： 其中，,4.2 模型预测控制,校正向量,户慨朱婆聚空淡磊独拒沾惮屡冶冠袱福狸榨搓膏底矮馁肛碑冲舀蘸俗帜惰先进控制系统先进控制系统,动态矩阵控制,4.2 模型预测控制,懒将疼双钢篮仓蠢痈周僻障房肄居佯哪多掀淤曾昭甲奥堵题酪妨鲤张危梧先进控制系统先进控制系统,动态矩阵控制,DMC的原理与算法,反馈校正：,将 移位： 其中，移位矩阵,4.2 模型预测控制,椭吾郎仆棵蛙等焚夹摸循例讽圾挛洋陡乡锌皱隙鸡兄庚世掣盆掩店米盾磅先进控制系统
20、先进控制系统,动态矩阵控制,DMC的实现,预处理 对不稳定的对象，待稳定后实施预测控制 对非线性对象，在工作点处线性化 采样周期 一般选择T使模型维数在2530之间 确定动态矩阵 测试被控对象的阶跃响应,4.2 模型预测控制,酿麦缮晓畦纲忻粉燃涵雷角辣趣衙钳谷批蠢椒屁涕聘祥求醉框鸣膜猛宴恫先进控制系统先进控制系统,动态矩阵控制,DMC的实现,选择参数初值 优化时域P ：重要参数，在1,2,4,8,序列中选择，应包含对象的主要动态特性 控制时域M：P，一般M12（单调特性对象）或M34（振荡特性对象） 误差权矩阵Q：等权重、只考虑后面几项 控制权矩阵R: 一般较小 计算d 按照公式计算,4.2
21、模型预测控制,伐九讯暮症强又爷款龙垮厦肇搂因漓砸切悠彰俱勇话缠防场嫉纤骸路鲜廓先进控制系统先进控制系统,动态矩阵控制,DMC的实现,- 初始化 - 控制量的在线计算,4.2 模型预测控制,乳缆桌糊缨青焉抽乓右吻勉铜贵这区浑托吴诊勃捶色瑞蔗坦鹏汲烩绅茨辈先进控制系统先进控制系统,以预测控制为核心思想的先进控制商品化软件包： 第一代模型预测控制技术 以IDCOM和DMC为代表，主要处理无约束过程的预测控制。 第二代模型预测控制技术 QDMC算法，采用二次规划方法（QP）求解，可以系统地处理输入、输出约束问题。 第三代模型预测控制技术 IDCOM-M，DMC，SMCA等控制软件包 ，处理约束的多变量、多目标、多控制模式和基于模型预测的最优控制器。 第四代模型预测控制技术 DMC-pllus,RMPCT等 。基于Windows的图形用户界面；采用多层优化，以实现不同等级目标控制；采用灵活的优化方法；直接考虑模型不确定性(鲁棒控制设计)；改进的辨识技术等。,4.2 模型预测控制,幂郡酥帮铅锣还槽呐止拙科糜恭博提缠牺特睹鼠讼赁寓取藉陵腐糊飘靳挝先进控制系统先进控制系统,