1、过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表 主讲教师：主讲教师：杨延西西安理工大学自动化与信息工程学院西安理工大学自动化与信息工程学院信息与控制工程系信息与控制工程系 第八章第八章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统1 1、有些工业过程，输入、输出变量至少有两个或两个以上，、有些工业过程，输入、输出变量至少有两个或两个以上，而且变量之间还存在相互耦合和相互影响，这样的过程称之而且变量之间还存在相互耦合和相互影响，这样的过程称之为多输入为多输入/多输出过程，简称多输出过程，简称多变量过程多变量过程；2 2、有的单变量过程的某些特征参数，如放大倍数、时间常数、有的单变量过程的某些特征参数，如放大倍数、
2、时间常数、纯滞后时间等，随时间不断地变化，这样的过程称之为、纯滞后时间等，随时间不断地变化，这样的过程称之为特特征参数时变过程征参数时变过程；3 3、有的过程的主要干扰量和过程的输出量都无法用仪器仪表、有的过程的主要干扰量和过程的输出量都无法用仪器仪表测量或难以测量；测量或难以测量；4 4、有的过程的参数模型难以得到，能够得到的却是表征输入、有的过程的参数模型难以得到，能够得到的却是表征输入、输出关系的非参数模型，如阶跃响应曲线或脉冲响应曲线、输出关系的非参数模型，如阶跃响应曲线或脉冲响应曲线等；等；如何如何控制控制？第八章第八章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统一、多变量解耦控制系统一、多变
3、量解耦控制系统1.多变量过程及其耦合多变量过程及其耦合:多变量耦合实例多变量耦合实例1:图中，精馏塔的塔顶温度控制系统和塔底温度控制系图中，精馏塔的塔顶温度控制系统和塔底温度控制系统存在耦合现象。统存在耦合现象。精馏塔温度控制系统精馏塔温度控制系统再沸器再沸器回流回流QL塔底产品塔底产品QW精精 馏馏 塔塔 T2C T2T T1C蒸汽蒸汽QS进料进料F塔顶产品塔顶产品QDu2 T1T冷凝器冷凝器回流罐回流罐干扰使得干扰使得T2T2C输出输出QsT2T1T1C输出输出T1T2多变量耦合实例多变量耦合实例2:2:回流量回流量QL实例实例3 3：流量与流量与压力耦合控制压力耦合控制 干扰使干扰使压力
4、升高压力升高通过调通过调节节开大阀开大阀1 1的开度的开度，增加，增加旁路回流量，减小排出量，旁路回流量，减小排出量，迫使压力回到给定值上；迫使压力回到给定值上；同时，同时，压力的升高压力的升高调节调节阀阀2 2前后的前后的压差增大压差增大，导致，导致流量增大流量增大。此时，通过流量控制回此时，通过流量控制回路，关小调节阀路，关小调节阀2 2的阀门开的阀门开度，迫使阀后流量回到给定度，迫使阀后流量回到给定值上。由于阀后值上。由于阀后流量的减小流量的减小又将引起又将引起阀前压力的增加。阀前压力的增加。结果导致系统无法工作。结果导致系统无法工作。耦合过程的特点：耦合过程的特点：任任意一个控制作用发
5、生意一个控制作用发生变化，将会影响其他变化，将会影响其他被控量的变化，甚至被控量的变化，甚至导致各控制回路无法导致各控制回路无法工作。工作。多变量解耦控制的问题多变量解耦控制的问题1)1)耦合程度的度量方法耦合程度的度量方法;2)2)被控变量与控制变量的配对问题被控变量与控制变量的配对问题;3)3)减少耦合程度或解耦的方法减少耦合程度或解耦的方法;需解决的问题需解决的问题:2.2.相对增益与相对增益矩阵相对增益与相对增益矩阵1111gK2121gK1212gK2222gK为了方便研究将被控为了方便研究将被控制对象的特性分为制对象的特性分为静静态态和和动态动态两部分，以两部分，以下解耦方法主要研
6、究下解耦方法主要研究系统的静态特性！系统的静态特性！1111gK2121gK1212gK2222gK,1,2,|kiijuconst kn kjjyKu耦合程度的度量方法耦合程度的度量方法1uconstu 21)1)第一放大系数第一放大系数开环增益开环增益 1111kuy2112kuy各个系统处于开环状态，此时给各个系统处于开环状态，此时给u u1 1加入扰动则加入扰动则y y1 1和和y y2 2都发生都发生变化，则相应的变化增益为变化，则相应的变化增益为耦合程度的度量方法耦合程度的度量方法1111gK2121gK1212gK2222gK)(2sGc2u1111122ykuku2)2)第二放
7、大系数第二放大系数闭环增益闭环增益 constyk 将其它控制回路闭环，将其它控制回路闭环，此时给此时给u u1 1加入扰动，则加入扰动，则y y1 1和和y y2 2都都变化，但是变化，但是y y2 2在闭环的作用下很快趋于原始值，在闭环的作用下很快趋于原始值，u u2 2通过耦合通过耦合支路影响支路影响y y1 1，因此，因此y y1 1的变化有两部分组成，的变化有两部分组成，1u耦合程度的度量方法耦合程度的度量方法2121122221220-kkukuuuk,1,2,|kiijyconst kkijyKu 推 广 到 一 般 情 况：111112211ykukuyy 直接通道作用直接通道
8、作用耦合通道作用耦合通道作用2111221221111112111112222kk kk kykukuukukk第二放大系数第二放大系数相对增益相对增益3)3)相对增益相对增益ijijijKK推 广 得 相 对 增 益：第二放大系数第二放大系数,1,2,|kiijyconst kkijyKu,1,2,|kiijuconst kn kjjyKu第一放大系数第一放大系数11111221111111221221=ykk kykk kk k直接通道作用占总作用的比例为：1122211211112kkkkkuyconsty相对增益的求取相对增益的求取输入输入输出的静态关系：输出的静态关系：2221212
9、2121111ukukyukuky,|kiijuconst kjjyku11112:kuyconstu例如221212121111kukykuky?211constyuy4)4)相对增益的求取相对增益的求取1.1.偏微分方法偏微分方法 u2为变量为变量;y2为常量，用为常量，用y2表达表达u2!相对增益的求取相对增益的求取2211211222112211111111kkkkkkkkkk22211222112221121111kkkkkkkkkk1111gK2121gK1212gK2222gK1u2u2y1y相对增益矩阵相对增益矩阵22211211相对增益矩阵相对增益矩阵211221122211
10、2112221121122112121212kkkkkkkkkkkkkkkk212212222111ukkukyky1221221112212kkkkkuyconsty22212122121111ukukyukuky211221kk221122kk211212221111kkkk特点？特点？相对增益矩阵的特点相对增益矩阵的特点推广到一般情况，也成立。推广到一般情况，也成立。由上可知:1121112221即每行元素之和为即每行元素之和为1 1而且而且1211112212每列元素之和为每列元素之和为1 1相对增益矩阵的特点相对增益矩阵的特点作用作用1:1:简化相对增益矩阵的求取简化相对增益矩阵的求
11、取作用作用2:2:揭示系统耦合的强度。揭示系统耦合的强度。22211211耦合特性的评价准则耦合特性的评价准则相对增益与耦合特性相对增益与耦合特性21122211221111KKKKKK假假如如12K 和和21K 都都很很小小，表表明明这这两两个个回回路路之之间间的的静静态态耦耦合合作作用用很很弱弱。如如果果12K 和和21K 都都为为零零，则则表表明明两两个个通通道道彼彼此此独独立立，此此时时1u 对对1y 之之间间的的相相对对增增益益11就就等等于于 1 1；当当然然，此此时时22也也等等于于 1 1。即：当某通道的相对增益越接近于即：当某通道的相对增益越接近于1 1，则由该通道组成的，则
12、由该通道组成的控制回路受其他控制回路的影响就越小；当各控制回路之间无控制回路受其他控制回路的影响就越小；当各控制回路之间无耦合关系时，则构成回路的每个过程通道的相对增益都应为耦合关系时，则构成回路的每个过程通道的相对增益都应为1 1，因而无耦合过程的相对增益矩阵必为单位阵。，因而无耦合过程的相对增益矩阵必为单位阵。1111gK2121gK1212gK2222gK1u2u2y1y耦合特性的评价准则耦合特性的评价准则基于以上分析，通常将相对增益所反映的耦合特性以基于以上分析，通常将相对增益所反映的耦合特性以及及“变量配对变量配对”措施归纳如下（以措施归纳如下（以2 22 2过程为例）：过程为例）：
13、耦合特性的评价准则耦合特性的评价准则相对增益矩阵的求取相对增益矩阵的求取YKU理论说明理论说明：1.*(),TijkKKK1UKYHY/,ijijijijjikkk hKH即：矩阵中的元素与转置后对应元素的乘积,kjjiiyconst kiuhy,1/kijiijjyconst kiyhku2.2.增益矩阵计算法增益矩阵计算法22212122121111ukukyukuky由开环增益矩阵直接求出相对增益矩阵由开环增益矩阵直接求出相对增益矩阵变量配对方案变量配对方案例例1 1：三种流体混合过程：三种流体混合过程3.3.相对增益矩阵与变量配对相对增益矩阵与变量配对控制要求：控制要求：1:1:稳定热
14、量稳定热量H H1111和和H H2 22 2 2:2:稳定总流量稳定总流量Q Q1321vvvKKK假设：假设：两侧管道对称两侧管道对称321232221112001002110010020010021100100uuuQuuHuuH变量配对方案变量配对方案U2 QU1,U3 H11,H22控制方案：控制方案：六种变量配对方案方案之一六种变量配对方案方案之一变量配对实例变量配对实例已知：已知：32223212111uuHuuuQuuH0111111101K011111110)(11KKT110111011322222122321311211111uhuhuhuquququhuhuhK变量配对
15、实例1*()TKK01011 1010H11QH22U1U2U3U1 QU2 H11或H22可选控制可选控制 正确方案正确方案1U3 QU2 H11或H22可选控制可选控制 正确方案正确方案2只需要两套控制只需要两套控制系统，简单易行系统，简单易行，节约成本！，节约成本！1 1、前馈补偿设计法前馈补偿设计法 所谓解耦设计，就是设计一个解耦装置，使其中任意所谓解耦设计，就是设计一个解耦装置，使其中任意一个控制量的变化只影响其配对的那个被控变量而不影响一个控制量的变化只影响其配对的那个被控变量而不影响其他控制回路的被控变量，即将多变量耦合控制系统其他控制回路的被控变量，即将多变量耦合控制系统分解分
16、解成若干个相互独立的单变量控制系统成若干个相互独立的单变量控制系统。补偿器的设计补偿器的设计)()()(22211sGsGsGB)()()(11122sGsGsGB问题：问题：GB(s)如何实现？对模型的依赖性强，当如何实现？对模型的依赖性强，当输入输出变量较多时，则不宜采用。输入输出变量较多时，则不宜采用。解耦解耦控制器控制器依据前馈补偿的原理，有依据前馈补偿的原理，有 010210221sUsGsGsGB对角矩阵设计法对角矩阵设计法2 2、对角矩阵设计法、对角矩阵设计法设设)()()(susgdiagsYpii)()()(0sgdiagsGsGPiiD令令则则)()()(10sgdiags
17、GsGPiiD)(00)()()()()()()()()(221122211211022021012011sgsgsgsgsgsgsgsgsgsgPPDDDD对双变量控制系统为：对双变量控制系统为：即即)()()(10sgdiagsGsGPiiD)()()()()()()()(22011110212201211022sgsgsgsgsgsgsgsgPPPP)()()(100sgdiagsadjGsGPii)()()()()(00)()()()()(0210120220112211011021012022sgsgsgsgsgsgsgsgsgsgPP注意：此方法需要合理设计目标对角阵的传递函数！注
18、意：此方法需要合理设计目标对角阵的传递函数！设计后的结构图设计后的结构图3 3、单位矩阵设计法、单位矩阵设计法设设)()()()()(0sUIsUsGsGsYD则则)()(10sGsGD 不但解除了控制回路间的相互耦合，而且改善了被控过程的动态特不但解除了控制回路间的相互耦合，而且改善了被控过程的动态特性，使每个等效过程的特性为性，使每个等效过程的特性为1 1，大大提高了控制系统的稳定性，提高，大大提高了控制系统的稳定性，提高了控制系统的质量。但是，解耦装置，了控制系统的质量。但是，解耦装置，完全依赖于过程的动态特性，这完全依赖于过程的动态特性，这给物理实现带来一定的难度。给物理实现带来一定的
19、难度。4 4、解耦控制系统的简化设计解耦控制系统的简化设计比较常用的方法有：比较常用的方法有：当过程模型的时间常数相差很大时，则可当过程模型的时间常数相差很大时，则可以以忽略较小忽略较小的时间常数；的时间常数；当过程模型的时间常数相差不大时，则可以当过程模型的时间常数相差不大时，则可以让它们让它们相等相等。4 4、解耦控制系统的简化设计解耦控制系统的简化设计例：例：一个三变量控制的过程传递函数阵为一个三变量控制的过程传递函数阵为 01101201300210220230310320332.61.60(2.71)(0.31)(2.71)(0.21)110(3.81)(4.51)2.742.60.
20、87(0.21)(0.181)(0.251)GsGsGsGsGsGsGsGsGsGssssssssss根据上述简化原根据上述简化原则，传递函数矩则，传递函数矩阵最终简化为阵最终简化为87.06.274.2015.4115.41017.26.117.26.2ssss最后，利用对角矩最后，利用对角矩阵法或单位矩阵法，阵法或单位矩阵法，依据简化后的传递依据简化后的传递函数矩阵求出解耦函数矩阵求出解耦装置装置 。5 5解耦控制系统设计举例解耦控制系统设计举例 两种料液两种料液q1q1和和q2q2经均匀混合后送出，要求对混合液的流量经均匀混合后送出，要求对混合液的流量q q和成分和成分a a进行控制，流
21、量进行控制，流量q q和成分和成分a a，分别由，分别由q1q1和和q2q2进行控制。进行控制。静态关系式为 21121qqqaqqq相对增益矩阵为qaqa2211控制要求：控制要求：1:1:稳定混合液稳定混合液体成分体成分a a2:2:稳定流量稳定流量q q。5 5解耦控制系统设计举例解耦控制系统设计举例静态关系式为 21121qqqaqqqaaaaaqaqaa111111211122122121212111constqaq constaqqqaqqqaqqq 若已知若已知q1q1q2q22525，则，则a a0.50.5，5.05.05.05.0若测得被控过程的特性为：若测得被控过程的特性
22、为：1111)(0220210120110TsKTsKTsKTsKsG当采用对角矩阵设计法时，当采用对角矩阵设计法时，设期望的等效过程特性为设期望的等效过程特性为：1001)(22110TsKTsKsGsGsGppDP则解耦装置的数学模型为则解耦装置的数学模型为：22011110212201211022101)()(ppppPDKKKKKKKKsGsGsG式中式中:011022012021KKKK 可知，成分和流量控制系统存在相同的耦合，无论怎样进行变量配可知，成分和流量控制系统存在相同的耦合，无论怎样进行变量配对，都不能改变彼此间的耦合程度，因而解耦设计是必需的。对，都不能改变彼此间的耦合程
23、度，因而解耦设计是必需的。若采用单位矩阵设计法时，期望的等效过程若采用单位矩阵设计法时，期望的等效过程特性为：特性为：1001)(0sGsGsGDP则解耦装置的数学模型为：则解耦装置的数学模型为：01102101202210)()(KKKKsMsGsGsGPD式中()1M sTs 采用单位矩阵设计法所得解耦装置要比对角矩阵设采用单位矩阵设计法所得解耦装置要比对角矩阵设计法复杂（多了微分环节），但期望的等效过程特性却计法复杂（多了微分环节），但期望的等效过程特性却比对角矩阵设计法有很大的改善。比对角矩阵设计法有很大的改善。多变量解耦控制小结多变量解耦控制小结1.多变量过程及其耦合；多变量过程及其
24、耦合；2.相对增益与相对增益矩阵；相对增益与相对增益矩阵；3.变量配对方案；变量配对方案；4.解耦控制系统设计方法。解耦控制系统设计方法。自适应控制系统实例 采用此方法整定采用此方法整定PIDPID参数还可以克服被控对象的时变和非线性参数还可以克服被控对象的时变和非线性甚至可以实现智能甚至可以实现智能PIDPID的算法。的算法。二、适应性控制系统二、适应性控制系统最简单的模型参考自适应控制：最简单的模型参考自适应控制：0k0k100sTes100sTes)(sF)(sGc1)(取sF00kk)(00sUkk)(0sUk适应性控制与自适应控制的区别适应性控制与自适应控制的区别 课本介绍的适应过程
25、参数变化的控制系统，实际上是模型参考自课本介绍的适应过程参数变化的控制系统，实际上是模型参考自适应控制系统的一种特例和简化！适应控制系统的一种特例和简化！参参考考模模型型的变化适应0k)(sGc0k0k100sTes100sTes)(sF)(se)(sU最简单的模型参考自适应控制最简单的模型参考自适应控制sTsFI11)(取调节器则调整机构类似如此取PIsF)(上面介绍的模型参考自适应控制还有另外一种实现方法！上面介绍的模型参考自适应控制还有另外一种实现方法！。数，直到则系统不断改变修正系只要0)(0)(sesesTsFI1)(也可取取值的问题。此方法中涉及一个IT正步长。！对离散系统可称为修
26、可以看作一个修正系数IT变化了变化了最速下降法及其应用最速下降法及其应用 对与二维的下山问题，对与二维的下山问题，只要沿着负梯度方向总能走只要沿着负梯度方向总能走到山下，也就是达到最优。到山下，也就是达到最优。在可以到达山下的所有在可以到达山下的所有路径中必有一条所需时间最路径中必有一条所需时间最短。只有每一步都沿着最大短。只有每一步都沿着最大负梯度方向前进才可能最快负梯度方向前进才可能最快到达山下，也就是到达山下，也就是最速下降最速下降路线。路线。对与多参数的寻优问题其误差对与多参数的寻优问题其误差曲面是极为复杂的超曲面！例如神曲面是极为复杂的超曲面！例如神经网络控制中的权值修正问题！经网络
27、控制中的权值修正问题！如果误差曲面不单调，存在多如果误差曲面不单调，存在多个极值点，则最速下降法很容易陷个极值点，则最速下降法很容易陷入局部极值，有多种方法用来解决入局部极值，有多种方法用来解决最速下降法的局部极值问题！最速下降法的局部极值问题！可以把寻优问题可以把寻优问题形象的比喻为盲人下形象的比喻为盲人下山问题！山问题！特殊对象的适应性控制方法特殊对象的适应性控制方法过程特性的近似描述：过程特性的近似描述：1000sTeKs1 1、适应静态增益变化的控制策略、适应静态增益变化的控制策略00KK 理论分析：当环境变化引起理论分析：当环境变化引起设控制目标函数为设控制目标函数为dtteJ)(2
28、根据最速下降法有：根据最速下降法有：0()kdKtJdtK 控制算法推导0000)(1)()(0KsYsTesMKsEs000)()(KtYKte000000()222()()()()kY tJe tdte t Y t dtp t dtKKKKdtteJ)(2dtKteteKJ00)()(211)()(000000sTeKsTeKsMsEss方向方向0()21()()kkkkdKtP t dtP t dtdtKT 1()()kkkK tP t dtdtT 21()()kkkKsP sT s 1()()kkZ sP sT s 令1()()kKsZ ss则1()()()M sZ sU ss则0()
29、21()()kkkkdKtP t dtP t dtdtKT 2、适应纯时延变化的控制策略理论分析理论分析:当环境变化引起当环境变化引起00设控制目标函数为设控制目标函数为dtteJ)(2根据最速下降法有根据最速下降法有0()dK tJdt )()(1)(000ssYssTeKsMPs000000/11)()(00sTeKsTeKsMsEssdtteteJ00)()(2控制系统结构控制系统结构dttdYteP)()(0dtdttdYteJP)()(20()()12()()()Pdk tdY te tdtP t dtdtdtT)()(dttdYteP3 3、适应时间常数变化的控制策略、适应时间常数
30、变化的控制策略理论分析理论分析:当环境变化引起当环境变化引起00TT 设控制目标函数为设控制目标函数为dtteJ)(2根据最速下降法有根据最速下降法有0()TdKtJrdtT 1)(11)()1()(000020000sTssYsTssTeKsMssTeKsMPss000000/11)()(0TsTeKsTeKsMTsEss控制系统结构控制系统结构;1)(1)(00100sTsTsYLTTteP100002()()1PT sJe t LYsdtTTT s10000()21()()()()1TPtT sdktJrre t LYsdte t q t dtdtTTT sT 21tT s三、推理控制系
31、统三、推理控制系统1、问题的提出、问题的提出加热炉的效率控制系统加热炉的效率控制系统 在加热炉燃烧效率的控在加热炉燃烧效率的控制问题中制问题中被控制量燃烧效被控制量燃烧效率不可测率不可测,同时来自燃料油同时来自燃料油的燃烧的燃烧热值变化也不可测热值变化也不可测.因此既不能反馈控制也不因此既不能反馈控制也不能前馈控制。能前馈控制。类似的控制问题在生类似的控制问题在生产过程中时有出现产过程中时有出现,尤其是尤其是在化工生产过程中在化工生产过程中!解决问题的途径之一解决问题的途径之一是引入一个与被控参数密是引入一个与被控参数密切相关的可测副参数。切相关的可测副参数。副参数控制的系统结构副参数控制的系
32、统结构)(02sG)(2sGf)(1sGf)(01sG)(sGc)(1sY)(2sY)(sF)(sX 采用副参数控制的问题？采用副参数控制的问题？含氧量含氧量燃烧效率燃烧效率风门开度风门开度燃料量燃料量 采用控制含氧量间接控制燃烧效率。采用控制含氧量间接控制燃烧效率。副参数控制的问题副参数控制的问题1()()(1)ccIG SKsT s假设控制器采用无静差的PI调节：)(02sG)(2sGf)(1sGf)(01sG)(sGc)(1sY)(2sY)(sF)(sX)()()()()()()()()(020112020121GGXYsYGGYY无差因 考察系统的设定值扰动响应考察系统的设定值扰动响应
33、:可见系统是有差的）（)()()(1)()(02011XGGYX副参数控制的问题副参数控制的问题)()()(1)()()()()()()()(1)()()(02201102011sFsGsGsGsGsGsFsGsXsGsGsGsGSYcfcfcc)(02sG)(2sGf)(1sGf)(01sG)(sGc)(1sY)(2sY)(sF)(sX1201102()()()()0()ffYGGGFG 考察系统的扰动值阶跃响应可得（）由此可见这种控制系统在两种扰动作用下均为有差由此可见这种控制系统在两种扰动作用下均为有差调节调节,在控制品质要求较高时必须采用其他方式在控制品质要求较高时必须采用其他方式!2
34、、推理控制的实现、推理控制的实现由图可得：由图可得：sYsGsGsFsGsYiCf20222 sYsGsGsFsGsYiCf20111可得 sFsGsGsGsYiCf02221 sFsGsGsGsGsGsFsGsYiCfiCf02201111设设 sEsGsGsGsGiCiC02011 sFsEsGsGsYff211若设 sGsGsEff21则有1()Y s0()icGs的传递函数为 sGsGsGsGsGsGsGsEsGsEsGffffiC012102210102)(/)()()(/)()icGs()icGs上式表明，取决于被控过程各通道的动态特性。若已知过程各通道的估计值为 动态特性的估计值
35、，则可得 sGsEsGsEsGiC0102 01021iCiCGs GsE sGs Gs 由，则 sEsGsUsYsGsU102201 sEsGsUsYsGC)(022)()(sZsGC式中，sGsGsEff21过程的控制输入()U s为 sYsGsEsGsEsYsGsUiC201022进一步改写后，则有进一步改写后，则有 02012U s Gs E sGs U sE sYs推理控制系统的实现推理控制系统的实现)()()(21sGsGsEff图中)(1)(01sGsGc)(sU)(sX)(02sG)(02sG)(2sGf)(1sGf)(01sG)(sE)(sGC)(1sY)(sF)(2sY)(
36、sZ推理控制器 推理控制系统框图推理控制系统框图)(sZ推理控制的基本特征推理控制的基本特征3、推理控制的基本特征、推理控制的基本特征1）实现信号分离）实现信号分离2）估计不可测扰动）估计不可测扰动)()(0202sGsG若)()()()()(2022sFsGsUsGsYf则中分离出来的影响被从对辅助输出这样干扰)()()(22sYsYsF)()()()()()(12sFsGsFsGsEsZff11220202()()()(),()()ffffGsGsGsGs GsGs若，的影响被间接测量对系统主输出则不可测扰动)()(1sYsF“软测量”。这种测量方法也被称为)(sU)(sX)(02sG)(
37、02sG)(2sGf)(1sGf)(01sG)(sE)(sGC)(1sY)(sF)(2sY)(sZ )(sZ推理控制的基本特征推理控制的基本特征3）实现理想控制）实现理想控制)(sU)(sX)(02sG)(02sG)(2sGf)(1sGf)(01sG)(sE)(sGC)(1sY)(sF)(2sY)(sZ)(sZ对给定和干扰作用分别进行分析对给定和干扰作用分别进行分析推理控制的基本特征推理控制的基本特征3）实现理想控制）实现理想控制0110202()()()()1()()()()ccG s GsY sX sE s G s GsGs 简化只考虑给定时只考虑给定时)(sU)(sX)(02sG)(02
38、sG)(2sGf)(1sGf)(01sG)(sE)(sGC)(1sY)(sF)(2sY)(sZ )(sZ推理控制的基本特征推理控制的基本特征3）实现理想控制）实现理想控制 简化只考虑干扰时只考虑干扰时)(sU)(sX)(02sG)(02sG)(2sGf)(1sGf)(01sG)(sE)(sGC)(1sY)(sF)(2sY)(sZ )(sZ推理控制的基本特征推理控制的基本特征3）实现理想控制）实现理想控制 简化012110202()()()()()()()1()()()()cffcE s G s Gs GsY sGsF sE s G s GsGs推理控制的基本特征)()()()()()()()(
39、221102020101SGSGSGSGSGSGSGSGffff若011020201210202()()()()1()()()()()()()()()()1()()()()cccffcG s GsY sX sE s G s GsGsE s G s Gs GsGsF sE s G s GsGs)(1)(01sGsGc取，实现完全跟踪！对任意输入均有)()(1sXsY实现完全抑制！对任意干扰均有)(0)()()()()()(1211sFsYsFsGsEsGsYff3）实现了理想控制）实现了理想控制101101212()()()()()()()()()()()()()()()()cfcfffY sG
40、 s Gs X sGsE s G s Gs GsF sX sGsE s GsF sX s推理控制系统的实现问题)()()()()(0102sGsEsGsESGic)(02sG)(sGic)(2sGf)(1sGf)(01sG)(1sY)(sF)(2sY4、推理控制器的实现问题、推理控制器的实现问题推理控制系统的实现问题)(sU)(sX)(02sG)(02sG)(2sGf)(1sGf)(01sG)(sE)(sGC)(1sY)(sF)(2sY)(sZ)(sZ011!()()icGsGsC注意 在中含有G环节！1211550)(11155012)(201201SSSsGSSSsG则假若控制器难以实现控
41、制器难以实现推理控制系统的实现问题1211550)(1)(201SSSsGsGc)(sU)(sX)(02sG)(02sG)(2sGf)(1sGf)(01sG)(sE)(sGC)(1sY)(sF)(2sY)(sZ)(sZ1511211550151)(1)(201SSSSSsGsGc令推理控制器的实现1245121101511211550)(2SSSSSSSsGc已经变的可实现！此时)(sGc的含义是什么？是什么？乘151151SS波器！可以看作是一个低通滤151S如左图所示系统对阶跃响应的输出等于串接一个滤波器！乘151S推理控制器的实现传函来设定响应曲线！可以通过设计滤波器的预设曲线到达稳态值
42、！定准确的按照统的控制输出平缓！稳低通滤波器的引入使系 在工业实际中使输出完全跟踪在工业实际中使输出完全跟踪输入设定值经常是不现实的，这将输入设定值经常是不现实的，这将导致控制量的剧烈波动甚至达到饱导致控制量的剧烈波动甚至达到饱和！给系统引入一个滤波器使系统和！给系统引入一个滤波器使系统“柔化柔化”则系统的特性会更为理想则系统的特性会更为理想！!)()()(21使其可实现要尽量选择合适副参数对于sGsGsEff 如果合适的副参数找不如果合适的副参数找不到也可考虑串接滤波器！到也可考虑串接滤波器！)(sU)(sX)(02sG)(02sG)(2sGf)(1sGf)(01sG)(sE)(sGC)(1
43、sY)(sF)(2sY)(sZ)(sZ 使用推理控制最早是为了解决输出和干扰均不可测的控制使用推理控制最早是为了解决输出和干扰均不可测的控制系统，但使用中发现对于系统，但使用中发现对于输出可测输出可测，扰动不可测的系统控制效，扰动不可测的系统控制效果也比传统果也比传统PID好！好！简化！简化！5、输出可测条件下的推理控制、输出可测条件下的推理控制)(sY)(sF)(1sGf)(01sG)(01sG)(sGc)(sX 输出可测条件下的推理控制系统框图输出可测条件下的推理控制系统框图1）系统构成）系统构成011()(),()()cFFG sGsGsGs为滤波器传函这里不需要副参数输出，只需要估算一
44、个估计模这里不需要副参数输出，只需要估算一个估计模型型)(sU)(sX)(02sG)(02sG)(2sGf)(1sGf)(01sG)(sE)(sGC)(1sY)(sF)(2sY)(sZ)(sZ0110101010101()()()1()()()()()()()1()1()1()()1()()cfcccccG sGsGsG s GsY sX sF sG sG sGsGsG s GsG s Gs)(1sGf)(01sG)(01sG)(sY)(sGc)(sX01()1()()ccG sG s Gs11()1()()()()1()0()(),FfFfY sGs Gs F sGsY sGsF s对任意干
45、扰均有由于稳态值为，因此稳态实现完全抑制！0101101010101()()1()()()()()()1()()()1()()()ccfccG s GsG s GsY sX sGs F sG s GsGsG s GsGs()()()FY sGs X s对任意输入均有，系统按设定曲线跟踪输入！)()(101sGsGc分子分母同乘分子分母同乘0110101010101()()()1()()()()()()()1()1()1()()1()()cfcccccG sGsGsG s GsY sX sF sG sG sGsGsG s GsG s Gs011()()()cFG sG sG s0101()()G
46、 sG s当时1()()()1()()()FFfYsGs XsGsGs Fs0101010101010101()()()()()()()()()1()()()1()()()FcFcGsGsG s GsGsY sX sX sGsG s GsGsGsGsGs2）模型误差的影响）模型误差的影响0101101010101()()1()()()()()()1()()()1()()()ccfccG s GsG s GsY sX sGs F sG s GsGsG s GsGs0101()()GsGs假设 010101010101010101()1()()()()()()1()1()()()()GGGGYXX
47、XGGGGG 稳态响应可见模型误差对稳态响应没有影响！可见模型误差对稳态响应没有影响！GF()=1，则该项为0011()()()cFG sG sG s)(sY)(sF)(1sGf)(01sG)(01sG)(sGc)(sX)(1)()(01sGsGsGFc3）等效变换）等效变换)(1sGf)(01sG)(01sG)(sY)(sGc)(sX0101()1()()()()1()ceqcFFG sGG s GsGsGsGs等效控制器无穷大增益。控制器在稳态时具有，因此由于1)(FG6 性能分析：性能分析：1）与前馈反馈控制相比）与前馈反馈控制相比 a）不要求扰动可测；不要求扰动可测；b)无需建立扰动通
48、道的数学模型；无需建立扰动通道的数学模型；c)前馈控制只对特定的扰动有效，而推理控制则不然。前馈控制只对特定的扰动有效，而推理控制则不然。)(sY)(sF)(1sGf)(01sG)(01sG)(sGc)(sX)(sGc01()sG s e01()sGs e01()Gs)(sX)(sY2)与预估控制的区别及联系与预估控制的区别及联系 推理控制的与虚框内的传函不同！控制器)()()(01sGsGsGFc010101111()()()()1/111eqeqeqeqkT sGskkkGsGsGsT sT s控制器=较大的推理控制等价！与1)(sGFSmith预估控制系统框图7 推理控制系统的应用推理控
49、制系统的应用要使模型尽可能逼近实际系统就必须给模型加入限副器！要使模型尽可能逼近实际系统就必须给模型加入限副器！理论上推理控制没有输出限幅的问题，但实际的执理论上推理控制没有输出限幅的问题，但实际的执行器却存在饱和问题。饱和问题会使实际输出与模型输行器却存在饱和问题。饱和问题会使实际输出与模型输出产生偏差并在系统中积累！这个问题存在于所有用模出产生偏差并在系统中积累！这个问题存在于所有用模型估计系统输出的场合，包括型估计系统输出的场合，包括Smith预估和其他多种控预估和其他多种控制方法！制方法！示例：16536)(170173.0)(16607.14)(17606496.0)(020121s
50、sGssGssGssGff该过程的主要输出和干扰不可测，要求设计其推理控制系统，并确定估计器和推理控制器的模型。1761660046.021sssGsGsEff解：估计器模型解：估计器模型设惯性滤波器的模型为设惯性滤波器的模型为 1101ssGF推理控制器的模型为推理控制器的模型为 11017078.501sssGsGsGFC 在实际生产中，过程模型不可能与实际过程完全匹配，因而系统的在实际生产中，过程模型不可能与实际过程完全匹配，因而系统的主要输出也不可避免地存在稳态误差。为了消除主要输出的稳态误差，主要输出也不可避免地存在稳态误差。为了消除主要输出的稳态误差，应引入主要输出的反馈。但由于主
