智能控制在現(xiàn)代工業(yè)中的應用情況.doc

智能控制在現(xiàn)代工業(yè)中的應用1現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的特點與智能控制的形成 智能控制形成的工業(yè)因素 隨著科學技術的不斷進步和工業(yè)生產的不斷發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產過程，特別是復雜工業(yè)生產過程的控制與綜合自動化越來越成為人們所必須面對的問題。它既是推動自動控制理論和系統(tǒng)科學發(fā)展的強大動力，同時也對自動控制提出了前所未有的挑戰(zhàn)，其表現(xiàn)為： （1）被控對象日益復雜被控對象往往是無窮維的復雜系統(tǒng)，表現(xiàn)出很強的分布特性，而利用有限參數(shù)模型設計的控制，其有效性不能保證。這種復雜性還表現(xiàn)在被控對象與環(huán)境的關系上，如不確定性因素增多，缺乏先驗知識，環(huán)境干擾具有多樣性、時變性和隨機性，系統(tǒng)與環(huán)境、系統(tǒng)的各子系統(tǒng)之間和系統(tǒng)內部的關聯(lián)性相當強且復雜。 （2）高度的不確定性現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的結構、參數(shù)和環(huán)境都具有高度的不確定性，系統(tǒng)和環(huán)境有許多未知因素，如環(huán)境的動態(tài)變化、輸入信息的多樣化和數(shù)據量顯著增加等，而且其信息結構也發(fā)生了質的變化，包括信息的不可預知性、不完全性等。 （3）多層次、多目標的控制要求現(xiàn)代工業(yè)控制所追求的已不僅僅是低層次上單一的品質，而是力求實現(xiàn)多樣化、多層次的綜合目標，包括協(xié)調、調度、管理及決策等。 （4）控制手段的經濟性基于實時性、生產成本和操作工素質等因素的考慮，控制手段不允許過分復雜?，F(xiàn)代工業(yè)生產為追求高質量、高可靠、高效益、高適應性的四高目標，一方面其生產規(guī)模越來越龐大，節(jié)奏越來越快，工藝越來越復雜；另一方面基于嚴格和精確的數(shù)學模型描述基礎上的傳統(tǒng)控制理論的分析、綜合與設計技術與現(xiàn)代工業(yè)生產的控制實踐存在著巨大的鴻溝，理論與應用之間存在著嚴重的不協(xié)調性，面對復雜的工業(yè)對象，2工業(yè)自動化控制系統(tǒng)在自動化（automation）不斷完善和發(fā)展的今天，自動化水平已經成為衡量企業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標準，而自動化的一個重要分支工業(yè)自動化，更是生產型企業(yè)提高生產效率，穩(wěn)定產品質量的重要手段。我國的自動化發(fā)展歷程也經歷了以“觀測”為主的第一階段，以“觀測”并“人為反應”的第二階段，已經逐漸進入到“自動測量自動反應”的第三階段。這些進步，同時需要控制理論和實踐的完善，智能控制（intelligent controls）作為現(xiàn)代控制理論基礎上發(fā)展起來的新型控制理論，已經廣泛應用于各個自動化領域，全自動洗衣機就是典型的智能控制自動化的例子。一個控制系統(tǒng)包括控制器（controller）、傳感器（sensor）、變送器（transmitter）、執(zhí)行機構（final controlling element）、輸入輸出接口（I/0 interface）五部分組成?？刂破鞯妮敵鼋涍^輸出接口、執(zhí)行機構，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器，這樣完成了一次正常的運算控制操作。按照自動控制有無針對對象來劃分，自動控制可分為“開環(huán)控制”和“閉環(huán)控制”。區(qū)分“開環(huán)控制”和“閉環(huán)控制”最直接的辦法是看是否有最終對象的反饋，當然這個反饋不是人為直觀觀察的。例如向一個容器里加水，有水位測量設備，水位到達設定的高度，水龍頭自動關斷，這就是“閉環(huán)控制”；如需人為的看水是否到了設定的高度，而去人為的關水龍頭，這就是“開環(huán)控制”。當然，智能控制，目標是不需要人為干預，所以，我們可以簡單的認為“開環(huán)控制”是人為干預控制，不能完全體現(xiàn)智能控制的特點，所以在這里不去深究它?！伴]環(huán)控制”按照執(zhí)行機構的不同，可分為“狀態(tài)閉環(huán)控制”和“調節(jié)閉環(huán)控制”。區(qū)分“狀態(tài)閉環(huán)控制”和“調節(jié)閉環(huán)控制”的辦法是看對執(zhí)行機構的作用方式，如上例中，如果水龍頭是開關兩位的，在水位到達設定的高度，自動關斷水龍頭，則此為“狀態(tài)閉環(huán)控制”；如果水龍頭是可調節(jié)的，根據水位高度的不同，調節(jié)水龍頭開度的大小，通過加水量的不同，讓水位保持平衡，此為“調節(jié)閉環(huán)控制”。目前工業(yè)自動化控制中，“狀態(tài)閉環(huán)控制”多用于保護類控制，例如汽機的ETS，鍋爐的MFT，化工的ESD，水泵保護等等。其優(yōu)點是反應比較快，控制器本身不需要復雜的計算，通過邏輯運算基本可以實現(xiàn)；其缺點是一旦收到的反饋信號為假信號，則按照假信號進行動作，工程上多稱之為“誤動”。由于動作迅速（一般是以“毫秒”為單位進行計算），所以一旦誤動產生，無法在執(zhí)行之前或之中做出人為反應處理，只能事后補救，而一些重要的保護一旦產生誤動，其影響和損失都是比較大的。針對這個問題，根據現(xiàn)場“狀態(tài)閉環(huán)控制”的重要性和損失性，需要將反饋信號進行品質判斷處理，判斷出信號的真實性，如果是假信號，則保持原信號不變，不觸發(fā)執(zhí)行機構工作，避免誤動。而且?guī)缀跛械摹盃顟B(tài)閉環(huán)控制”都有是否允許執(zhí)行的開關，即聯(lián)鎖按鈕。聯(lián)鎖按鈕可根據實際情況，屏蔽控制內容，這樣就可以部分的對其進行提前控制，把誤動的可能性減到最低?！罢{節(jié)閉環(huán)控制”相對“狀態(tài)閉環(huán)控制”要復雜一些，需要控制器進行復雜的運算，計算出輸出的結果給執(zhí)行機構，執(zhí)行機構進而調節(jié)被調節(jié)對象。從時間上來講，“調節(jié)閉環(huán)控制”是不間斷的時時進行計算和輸出，其周期決定于控制器的運算周期。“調節(jié)閉環(huán)控制”需要人為或通過系統(tǒng)計算給定一個被控制對象的理想的狀態(tài)數(shù)值（給定值 set value，簡寫為S），控制器會比較實際的被控制對象的數(shù)值（測量值 practical value，簡寫P）與給定值之間的偏差，并計算出輸出到執(zhí)行機構的值（輸出值 output value，簡寫O）給執(zhí)行機構，執(zhí)行機構變化，使測量值改變，控制器再次比較測量值與給定值的偏差（以下簡稱偏差），進行下一循環(huán)的計算并輸出。“調節(jié)閉環(huán)控制”一般常用的控制方式是“比例積分微分控制”即“PID控制”或“PID調節(jié)”。PID控制器就是根據偏差，利用比例（proportional）、積分（integration）、微分（differentiation）計算出控制量進行控制的。PID控制器問世至今已有近幾十年的歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。很多盤裝儀表控制器就具備很好的帶有記憶功能的PID控制功能。“調節(jié)閉環(huán)控制”對控制系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)設備性能的要求比較高，如對執(zhí)行機構，要求執(zhí)行機構的線性度要高，不能是越階式執(zhí)行。同時，“調節(jié)閉環(huán)控制”因為是時時調節(jié)控制，所以對執(zhí)行機構的機械部分磨損比較大，部分的影響執(zhí)行機構的壽命。在“調節(jié)閉環(huán)控制”中，對控制系統(tǒng)的各個部分的工作狀態(tài)也有所要求，同例如執(zhí)行機構，“調節(jié)閉環(huán)控制”要求執(zhí)行機構是工作狀態(tài)是在“線性區(qū)域”工作，而不是死區(qū)。所謂死區(qū)（dead zone），又稱儀表不靈敏區(qū)，是指輸入量的變化不致引起該儀表輸出量有任何可察覺的變化的有限區(qū)間。例如一個執(zhí)行機構，接收420mA線性信號，輸出動作是0100%的機械力，那么當輸入的信號是4.0005mA的時候，執(zhí)行機構是不動作的，此時4.0005mA是處于執(zhí)行機構的死區(qū)內。閥門是最典型的執(zhí)行機構，閥門的工作特性曲線圖（如圖01）表示出了閥門死區(qū)與工作線性區(qū)的特點。圖中Y軸代表的是閥門輸出的機械動作，即實際開度；X軸代表接受到的執(zhí)行命令大小，即要求開度。由圖可知，閥門在關閉時剛開始接收到開信號時閥門無實際動作，這段區(qū)域即是死區(qū)，然后在接受到一定的信號值后，閥門開始大幅度動作，然后進入到一個相對平緩的直線運行區(qū)域，這段相對平緩的直線即線性區(qū)（linear zone）。然后再經過大幅度動作區(qū)，死區(qū)，到底滿開度。關閉亦然。實際中，很多閥門在實際中是不可能完全達到0%和100%開度的，也就是說0%開度閥門一定或多或少有一些流量，而100%開度也不可能是0阻力流動的。了解了“調節(jié)閉環(huán)控制”的執(zhí)行機構特點，之后進行調節(jié)，方法多為PID調節(jié)。而PID調節(jié)有很多計算方法，實際應用卻多用“試湊法”，即先通過經驗預設一組PID參數(shù)值，再根據實際效果調節(jié)參數(shù)值，達到預期的目的。所以實際中主要調節(jié)什么參數(shù)，如何去調節(jié)PID參數(shù)，是最直接需要掌握的內容。首先要知道所調試的調節(jié)系統(tǒng)的作用方式，即正作用還是反作用。如果被調節(jié)對象的測量值大于給定值，則增大執(zhí)行機構輸出值，此為正作用。反之為反作用。同一個容器，即有進水閥，也有排水閥，被調節(jié)對象是水位，那么如水位高于期望值，需減小進水閥的開度，進水閥為反作用；需增大排水閥開度，排水閥為正作用。正反作用是PID調節(jié)的基礎，是執(zhí)行機構的方向問題，找對了方向，才有可能向好的調節(jié)效果上發(fā)展。其次要了解的，就是P、I、D的含義了。比例、積分、微分在PID調節(jié)的作用。比例（P）控制是一種最簡單、最基礎的控制方式。其控制器的輸出與偏差信號成比例關系。比例控制的輸出曲線如圖02所示，其輸出是一條始于原點的直線，而直線的斜率是由比例增益確定的。調節(jié)的一方面，測量值和給定值無限接近，即偏差值很小越好，從而滿足調節(jié)的精度：另一方面，調節(jié)需要具有一定的幅度，以保證調節(jié)的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將偏差信號進行放大。比例增益就是用來設置差值信號的放大系數(shù)的。籠統(tǒng)的講比例增益就是放大倍數(shù)。一般在初次調試時，比例增益可按中間偏大值預置待設備運轉時再按實際情況細調。而系統(tǒng)當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差，其測量值曲線的表現(xiàn)是等幅振蕩。積分（I）控制對比例控制有強烈的制約效應。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分”。隨著時間的增加，積分作用會增大。這樣，即便偏差很小，積分也會隨著時間的增加而加大，它反向推動控制器的輸出，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，直到等于零。積分曲線如圖03所示，其作用方式是只要有偏差，并且偏差在允許偏差范圍只外，積分就會起作用，反作用拉動比例增幅。反之如果無偏差或者偏差在允許范圍內，積分作用消失。調節(jié)積分的參數(shù)是積分時間，由比例控制可知，比例增益越大，由于慣性導致“超調”，然后反過來調整，再次超調，形成振蕩。引入積分的效果是，使經過比例增益放大后的差值信號在積分時間內逐漸增大，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時間太長，又會當反饋信號急劇變化時，被控物理量難以迅速恢復。因此，積分時間的取值與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)和積分時間是成正比的。微分（D）控制是在調節(jié)系統(tǒng)在進行比例控制和積分控制之前進行的超前控制，采用微分控制的主要原因是控制系統(tǒng)中有滯后性。系統(tǒng)在比例控制之后，被控物理量值未及時的變化，而是比例控制超調的時候開始變化，此時積分作用已不能對比例進行很好的反拉動作用，比例因為慣性在達到理想輸出時向反方向移動，無限制振動。這樣就需要微分提前控制，微分控制曲線如圖04，微分作用是在比例控制之前，提前輸出作用于被控對象，抵消滯后時間，而后比例控制和積分控制起作用，從而避免了被控量的嚴重超調。微分根據差值信號變化的速率，提前給出一個相應的調節(jié)動作，從而縮短了調節(jié)時間，克服因積分時間過長而使恢復滯后的缺陷。微分控制參數(shù)主要是微分時間，微分時間的取值也與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關，拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)與微分時間也是成正比關系。PID控制是比例、積分、微分結合作用控制，目前比較常見的是PI控制和PID控制，根據實際的被控對象不同，選擇的控制組合方式也不同，但目的曲線是相同的，如圖05所示，圖中Y軸代表測量值及給定刻度。X軸代表時間，給定值是固定的，所以是一條平行于X軸的直線，理論上，我們希望的曲線，是被控量直接向給定量靠近，進而重合，如曲線“理想狀態(tài)下的被調節(jié)對象測量值曲線”，但實際中并不能實現(xiàn)，客觀上比較理想的是圖中“調節(jié)較好的被調節(jié)對象測量值曲線”，被控量圍繞給定量振蕩幾個周期后，靠近給定量。實際中，被控量和給定量是不可能完全重合，存在動態(tài)的偏差。至于是否能穩(wěn)定，或者經過幾個周期才平穩(wěn)，要取決于參數(shù)的設置，各個控制環(huán)節(jié)的性能，還有外擾。3 智能控制技術發(fā)展趨勢展望目前，控制理論與技術向著2個方向發(fā)展，一是就一個理論或方法本身的深入研究；二是將不同的方法適當?shù)亟Y合在一起，相互取長補短，發(fā)揮各自優(yōu)勢，形成新的控制系統(tǒng)，獲得單一方法所難以達到的效果，最近出現(xiàn)了下面幾種智能控制中的混合算法。由于專家系統(tǒng)控制、模糊控制和神經網絡控制各有特點，因此目前有些研究者集成這些方法，形成了模糊神經網絡控制和專家模糊控制等多個方向。例如，一種基于神經網絡的模糊焊接控制方法 、基于進化計算和神經網絡的財政預算方法 、用于醫(yī)學診斷的粗集神經網絡專家系統(tǒng) 和基于模糊專家系