MATLAB/SIMULINK不稳定过程的智能控制及其应用仿真(2)
1.1 现代控制理论简介
传统控制理论分析和设计控制系统采用的方法是频率特性法和根轨迹法。这两种方法能很好的分析并设计线性和定长单变量系统。但是，传统控制理论采用的这种方法对时变系统，非线性系统，多变量系统等控制效果不理想[4]。而且，随着工业在生产过程中对自动化的要求水平越来越高，其控制的任务也向更发杂的方向发展，同时对被控制量精度的要求也日益增高。现代控制理论就是状态空间描述作为数学模型，利用计算机作为系统建模分析，直接从时间域对多输入和多输出的控制系统的研究，设计乃至控制的手段，适应于多变量、非线性、时变系统。状态空间方法属于时域方法，其核心是做优化技术。
19世纪70年代现代控制理论才逐渐出现，现代控制理论和经典控制理论不同。随着现代控制理论的日益成熟，主要应用于航天、通信，军事、国防，甚至生态过程中，同时现代控制的某些思想和方法，还应用于许多国家管理中，如：交通管理，经济的调控和人口的控制等领域[5]。
1.2 现代控制理论发展过程
二十世纪五十年代末开始，随着科学技术和计算机的飞速发展，带动了空间技术，核能技术发展，从而逐渐出现了许多对非线性系统，多输入和多输出系统和时变系统的分析和控制的方法。二十世纪五十年代后期，美国数学家贝尔曼（Bellman）等人提出的状态空间分析法奠定了控制理论的基础；紧接着贝尔曼1957年提出了动态规则进一步促进了控制技术的发展[6]；在二十世纪吹冰十年代成功的把状态空间分析法应用到控制系统领域。随着控制技术的发展可控性、可观性和极大值、极小值原理等新概念相继出现。罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。二十世纪七十年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国）在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容[7]。二十世纪七十年代末，控制理论向着大系统理论、智能控制理论和复杂系统理论的方向发展，这些控制理论标志着现代控制理论的正式形成。
1.3 现代控制理论与传统控制理论的比较
经典控制是单输入单输出的系统，是以拉普拉斯变换和z变换为数学基础的，系统的基本数学模型是线性定长高阶微分方程，线性常系数差分方程，传递函数和脉冲传递函数，主要的分析和综合方法是时域法和频域法，分析的内容主要是稳定性。现代控制就是将空间的概念引入控制系统，运用状态空间法描述输入状态输出诸变量间的因果关系，揭示了系统内部的结构特性，适用与单输入，单输出和多输入多输出的系统；最优控制是利用各种算法分析，使得控制效果最优，是经典控制理论的后继课程。
1.4 不稳定过程控制的研究意义和现状
过程工业是指如石化、电力、冶金、造纸、医药、食品等工业,它们的特点是具有连续性。随着科学技术的发展,在工业生产过程中对工艺的要求不但要求其精确度，同时也对系统的鲁棒特性，实时性，系统的容错性和系统被控对象的自动调节能力更加重视。但是在过程工业中，被控过程通常伴随着物理化学反应、生化反应、相变过程、物质与能量的转换和传递，是一个十分复杂的工业系统。随着对过程控制系统研究的深入，积分时滞对象和不稳定时滞对象也成为过程控制研究的重点，例如加热炉的温度控制，生物发酵过程的控制等。由于被控过程逐渐变得的复杂，在控制过程中出现了许多非线性和不确定性，无法用传统的控制方法建立精确的数学模型来描述，这就促使了更高智能控制的发展。目前，在过程工业的控制过程中，许多控制回路都是传统的PID控制器来进行控制。如日本的一家仪表测试仪制造公司的控制系统，根据调查报告有90%的空盒子回路都是传统的PID控制结构，控制效果达不到理想的效果[8]。又如，加拿大的一家造纸厂的2000多个控制回路，其中仅对20%的控制回路比较满意。其余的控制回路都不能达到预期的目的，其中因参数整定不合适的占29%，传感器和采样频率等方面的问题占31%，另外滤波器设计的不合理也占了相当大的一部分比例。通过这两个例子可以看出目前过程控制中大多还是采用的传统PID控制结构，存在许多参数整定不合理的问题。因此，许多学者致力于PID控制器参数的整定方法研究。模型预测控制(ModelPredictiveContr01)，自适应控制(AdaptiveContr01)，LQ最优控制技术等。这些先进控制算法提高了控制系统的性能，但是，某些先进控制算法存在着专用性强、适应性差、算法复杂、实施和文护成本高的不足，同时对工业过程中出现的不稳定现象也没得到良好的控制，所以，为了寻求控制不稳定过程的方法和提高控制系统的整体性能，需要研究一类先进控制算法，这类先进算法具有结构简单、实施容易、鲁棒性能好、通用性强的特点。这是控制界乃至整个工业界一直追寻的目标[9]。