8. 第八讲——先进过程控制系统.pdf

过程控制原理应用I （检测技术与过程控制原理） 主讲人：安剑奇 教授 中国地质大学（武汉） 自动化学院 2020年11月 1 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 第8章 先进过程控制系统 2 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）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。 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  质量控制图  休哈特控制图：一类最常用的控制图  根据控制图中方差和均值变化判断出过程处于受控或失控状态  由于偶然因素引起的波动在上下控制限内，而异常因素引起的过程 波动在上下控制限外  控制图适用于具有统计特性和重复性的被控过程，要注意选择主要 被控质量指标进行控制图分析和判别 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  其他统计过程控制技术  多元投影方法：将高维数据空间数据投影到低维特征空间的方法。 可用于多元统计过程控制。包括：主元分析，部分最小二乘法  主元分析法（PCA）：用几个综合变量反映原系统中较多的具有相 关特征变量所包含的大部分信息。  部分最小二乘法：通过多元投影变换，分析两个不同矩阵中变量之 间的相互关系。可用于直接分析过程变量和质量变量间的映射关系 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.4 控制系统故障诊断和容错控制  故障检测和诊断(FDD)：对系统异常状态检测、异常状态原因识 别、异常状态预测技术。  控制系统的故障：系统状态出现不期望的、不能容许的且不能自 恢复的偏差，这种偏差使系统出现异常特性，不能按预期工作  分类：  被控过程故障：即被控对象的某部分器件失效；  仪器仪表器件故障：包括检测元件、变送器、执行器、连接管线、 控制装置和计算机接口的故障等；  软件故障：计算机诊断程序、控制程序和系统程序等软件的故障 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.4 控制系统故障诊断和容错控制  产生故障原因：系统设计错误、设备性能退化、操作人员误操作。  故障检测和诊断：故障建模、故障检测、故障分离和估计、故障 分类、评价和决策  故障建模：按照先验知识和输入/输出关系，建立系统故障的数 学模型，作为故障检测和诊断的依据 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.4 控制系统故障诊断和容错控制  故障检测和诊断的基本方法  根据系统采用的模型和决策方法差异，故障诊断方法可分为： • 依赖于模型的故障诊断方法 • 不依赖于模型的故障诊断方法 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.4 控制系统故障诊断和容错控制 1、依赖于模型的故障诊断方法 • 用解析冗余取代硬件冗余。解析冗余是通过构造观测器估计出系统 输出，然后将它与输出测量值比较，从中取得故障信息 • 可分为两种：基于状态估计的故障诊断方法和基于参数估计的故障 诊断方法 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.4 控制系统故障诊断和容错控制 2、不依赖于模型的故障诊断方法 • 基于专家经验知识等浅知识的故障诊断：知识表达直观、形式统一、 模块化和推理速度快；局限性大，知识不完备。 • 基于诊断对象模型知识等深知识的故障诊断专家系统：知识获取方 便、维护方便、易于保证知识库的一致性和完整性；搜索空间大， 推理速度慢。 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.4 控制系统故障诊断和容错控制  容错控制  通过控制策略或算法的合理设计，使控制系统在正常状态下 或存在某些故障时，仍能保持稳定或仍能保持必要的控制功 能，确保系统仍能工作。  按设计方法的特点分类：被动容错控制和主动容错控制 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.4 控制系统故障诊断和容错控制 1、被动容错控制 • 设计适当固定结构的控制器，除了考虑正常工作状态的参数值以外，还 要考虑在故障情况下的参数值 • 不仅在所有控制部件正常运行时，而且在执行器、传感器和其他部件失 效时，保障系统仍然具有稳定性和令人满意的性能 • 分为可靠镇定、同时镇定、完整性控制、鲁棒容错控制等 • 优点：故障发生时能够及时实现容错控制，不存在主动容错控制中因故 障隔离延时而引起的控制性能变坏问题。 • 缺点：只能适应较少的故障情况，不可能用一个控制器实现对所有故障 的鲁棒性，且以牺牲系统的性能为代价 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 8.4 控制系统故障诊断和容错控制 2、主动容错控制  通过故障调节或信号重构保证故障发生后系统的稳定性和性能指标  主动容错控制要解决两个问题：故障诊断，容错控制 o 故障诊断：对控制系统中执行器、传感器和被控对象实时故障 检测，并根据故障特征进行故障的动态补偿或切换故障源 o 容错控制器：根据故障检测环节所得到的故障特征作出相应的 处理，对反馈控制的结构进行实时的重构  控制系统的故障诊断和容错控制的发展相辅相成，故障诊断是容错 控制的基础，容错控制的发展为故障诊断研究带来新的动力