中国地质大学（武汉）：《过程控制原理与应用技术》课程教学课件（检测技术与过程控制原理）第八讲 先进过程控制系统

过程校制原狸与寇用我术) 中周她质大学（武议）安剑奇 第8章先进过程控制系统 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

过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 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 第8章 先进过程控制系统

过程校制原狸与寇用我术月 中周她质大常（武议）安剑奇 8.1预测控制的基本原理 口预测控制由Richalet等1978年提出，发展了模型预测启发式控制， 模型算法控制，动态矩阵控制，预测控制等 ▣根据过程当前的和过去的输出测量值和设定值的偏差，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 ▣该过程反复在线进行 过去 将来 Vd -000一0-0 +)。 v(k) 试k+) k+州 + 预测长度

过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.1 预测控制的基本原理 预测控制由Richalet等1978年提出，发展了模型预测启发式控制， 模型算法控制，动态矩阵控制，预测控制等 根据过程当前的和过去的输出测量值和设定值的偏差，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 该过程反复在线进行

过程校制原狸与寇用我术月 中周她质大学（武议）安剑奇 8.1预测控制的基本原理 口由预测模型、参考轨迹、滚动优化、反馈校正等构成 ▣在当前时刻，基于过程模型预测未来有限时域的过程输出，通过 最小化输出响应与期望轨迹的偏差确定未来有限时域的控制增量； ▣在所得到的控制增量中，只执行当前的控制量 给定值y 参考轨线 y匠+) 控制输入 (&) 优化计算 过程 u(k) 输出 在线校正 匠+田 预测模型 依+)

过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.1 预测控制的基本原理 由预测模型、参考轨迹、滚动优化、反馈校正等构成 在当前时刻，基于过程模型预测未来有限时域的过程输出，通过 最小化输出响应与期望轨迹的偏差确定未来有限时域的控制增量； 在所得到的控制增量中，只执行当前的控制量

过程校制原狸局寇用我术？ 中图她质大学（武议）安剑奇 8.1预测控制的基本原理 >预测模型 口一个描述系统动态行为的模型，在预测控制中具有重要的作用。 ▣常用：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) >参考轨迹 ▣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 >控制算法 ▣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

过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.1 预测控制的基本原理 预测模型  一个描述系统动态行为的模型，在预测控制中具有重要的作用。  常用：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） 参考轨迹  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 控制算法  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

过程校制原狸与寇用我术月 中周她质大常（武议）安剑奇 8.2自适应控制 >自适应控制的基本原理 ▣根据参考模型的输出与实际过程的输出之差来自动调整控制器的参 数，以适应过程特性或环境的变化 口自适应控制系统至少由测量和估计环节、性能指标的评价环节、控 制决策和自动调整环节等三部分组成 性能评估 控制决策 参数估计 R(s) 八s Y(s) 控制器 被控过程

过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.2 自适应控制 自适应控制的基本原理  根据参考模型的输出与实际过程的输出之差来自动调整控制器的参 数，以适应过程特性或环境的变化  自适应控制系统至少由测量和估计环节、性能指标的评价环节、控 制决策和自动调整环节等三部分组成

过程校制原狸与寇用技术？ 中周她质大学（武议）安剑奇 8.2自适应控制 >测量和估计环节 ▣用于辨识被控过程或环境的结构和参数，并建立被控过程的数学模 型，估计模型参数 ▣包括对被控过程的输入输出进行测量、过程参数的在线估计等 >性能指标的评价环节 ▣用于评价控制系统的性能指标是否满足所需的最优指标，以便判断 控制系统是否已偏离最优状态 >控制决策和自动调整环节 ▣用于自动调整控制器的控制规律和参数，保证控制系统在最优状态 下运行

过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.2 自适应控制 测量和估计环节  用于辨识被控过程或环境的结构和参数，并建立被控过程的数学模 型，估计模型参数  包括对被控过程的输入输出进行测量、过程参数的在线估计等  性能指标的评价环节  用于评价控制系统的性能指标是否满足所需的最优指标，以便判断 控制系统是否已偏离最优状态 控制决策和自动调整环节  用于自动调整控制器的控制规律和参数，保证控制系统在最优状态 下运行

过程校制原狸局寇用我术？ 中图她质大常（武议）安剑奇 8.2自适应控制 >一般有三种类型： ▣自整定控制器：用专家经验规则辨识和整定PD参数的控制器 口自校正控制器：采用在线辨识方法， 实时获得过程数学模型 的参数，根据控制性能指标自行校正控制算法。 ▣模型参考自适应控制系统：建立具有预期性能指标的参考模 型，依据参考模型输出与过程输出间的偏差来调整控制器的 控制规律或参数，使过程特性尽量接近参考模型的特性

过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.2 自适应控制 一般有三种类型： 自整定控制器：用专家经验规则辨识和整定PID参数的控制器 自校正控制器：采用在线辨识方法，实时获得过程数学模型 的参数，根据控制性能指标自行校正控制算法。 模型参考自适应控制系统：建立具有预期性能指标的参考模 型，依据参考模型输出与过程输出间的偏差来调整控制器的 控制规律或参数，使过程特性尽量接近参考模型的特性

过程校制原狸与寇用我术月 中周她质大常（武议）安剑奇 8.2自适应控制 >模型参考自适应控制系统 ▣通过调整控制器参数或控制规律，使系统动态输出与参考模型输出 尽可能一致。 口由内、外两个控制回路组成。内回路为反馈控制系统，外回路用于 调整内回路的控制器参数或控制规律，由参考模型、适应机构和控 制器组成。 参数模型 Y(s) 适应机构 外回路】 R(s) U(s) Y(s) 控制器 被控过程 内回路

过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.2 自适应控制 模型参考自适应控制系统  通过调整控制器参数或控制规律，使系统动态输出与参考模型输出 尽可能一致。  由内、外两个控制回路组成。内回路为反馈控制系统，外回路用于 调整内回路的控制器参数或控制规律，由参考模型、适应机构和控 制器组成

过程校制原狸与寇用我术月 中周她质大学（武议）安剑寄 8.3统计过程控制 >统计过程控制的基本原理 口利用概率论和数理统计等统计学原理 口采用统计控制图、统计描述、统计相关分析、实验设计等方法 ▣目标：提高产品质量和生产率 口分析处理与产品质量相关的生产过程数据，监视生产过程的进行， 判断过程是否处于统计控制状态，对产品的质量进行分析，确定产 品是否合格，并寻找改进途径 ▣统计过程控制主要针对过程的平均水平及过程的分散度进行控制， 理论基础是中心极限定理和3σ定理

过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.3 统计过程控制 统计过程控制的基本原理  利用概率论和数理统计等统计学原理  采用统计控制图、统计描述、统计相关分析、实验设计等方法  目标：提高产品质量和生产率  分析处理与产品质量相关的生产过程数据，监视生产过程的进行， 判断过程是否处于统计控制状态，对产品的质量进行分析，确定产 品是否合格，并寻找改进途径  统计过程控制主要针对过程的平均水平及过程的分散度进行控制， 理论基础是中心极限定理和3σ定理

过程校制原狸与寇用我术 中周她质大常（武议）安剑奇 8.3统计过程控制 ,产生过程变化的原因有：偶然因素和异常因素。 偶然因素指过程所固有的对过程影响较小、难于消除的因素。由偶 然因素造成的质量随机波动称为正常波动；当仅有偶然出素存在时， 产品质量处于正常波动范围，认为生产过程处于受控状态。 ▣异常因素是非过程所固有、对质量影响较大、可以消除的因素。由 异常因素造成的质量波动称为异常波动。当异常因素的影响使质量 特征值偏离规定的范围时，则认为生产过程处于失控状态

过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.3 统计过程控制  产生过程变化的原因有：偶然因素和异常因素。  偶然因素指过程所固有的对过程影响较小、难于消除的因素。由偶 然因素造成的质量随机波动称为正常波动；当仅有偶然出素存在时， 产品质量处于正常波动范围，认为生产过程处于受控状态。  异常因素是非过程所固有、对质量影响较大、可以消除的因素。由 异常因素造成的质量波动称为异常波动。当异常因素的影响使质量 特征值偏离规定的范围时，则认为生产过程处于失控状态