淺談工業(yè)自動(dòng)化控制的智能控制

1、淺談工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的智能控制郝慶超在門(mén)動(dòng)化(automation)不斷完善和發(fā)展的今天，口動(dòng)化水平已經(jīng)成為衡雖:企業(yè)現(xiàn)代化水平的一 個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，而自動(dòng)化的一個(gè)重要分支工業(yè)自動(dòng)化，更是生產(chǎn)型企業(yè)提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì) 量的重要手段。我國(guó)的自動(dòng)化發(fā)展歷程也經(jīng)歷了以“觀測(cè)”為主的第一階段，以“觀測(cè)”并“人為反 應(yīng)”的第二階段，己經(jīng)逐漸進(jìn)入到“自動(dòng)測(cè)量自動(dòng)反應(yīng)”的第三階段。這些進(jìn)步，同時(shí)需要控制理論 和實(shí)踐的完善，智能控制(intelligent controls)作為現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型控制理論， 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)口動(dòng)化領(lǐng)域，全自動(dòng)洗衣機(jī)就是典型的智能控制口動(dòng)化的例子。一個(gè)控制

2、系統(tǒng)包括控制器(controller)傳感器(sensor)變送器(transmitter執(zhí)彳亍機(jī)構(gòu)(final controlling element)輸入輸出接口 (i/o interface)五部分紐成?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行 機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器，這樣 完成了一次正常的運(yùn)算控制操作。按照自動(dòng)控制有無(wú)針對(duì)對(duì)象來(lái)劃分，白動(dòng)控制可分為“開(kāi)環(huán)控制”和“閉環(huán)控制”。區(qū)分“開(kāi)環(huán) 控制”和“閉環(huán)控制”最直接的辦法是看是否有最終対象的反饋，當(dāng)然這個(gè)反饋不是人為直觀觀察的。 例如向一個(gè)容器里加水，有水位測(cè)量設(shè)備，水位到達(dá)設(shè)定的高度，水

3、龍頭口動(dòng)關(guān)斷，這就是“閉環(huán)控 制”；如需人為的看水是否到了設(shè)定的高度，而去人為的關(guān)水龍頭，這就是“開(kāi)環(huán)控制”。當(dāng)然，智能 控制，目標(biāo)是不需要人為干預(yù)，所以，我們可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為“開(kāi)環(huán)控制”是人為t預(yù)控制，不能完全 體現(xiàn)智能控制的特點(diǎn)，所以在這里不去深究它。“閉環(huán)控制”按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)的不同，可分為“狀態(tài)閉 環(huán)控制”和“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”。區(qū)分“狀態(tài)閉環(huán)控制”和“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”的辦法是看対執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 作用方式，如上例中，如果水龍頭是開(kāi)關(guān)兩位的，在水位到達(dá)設(shè)定的高度，白動(dòng)關(guān)斷水龍頭，則此為 “狀態(tài)閉環(huán)控制”；如果水龍頭是可調(diào)節(jié)的，根據(jù)水位高度的不同，調(diào)節(jié)水龍頭開(kāi)度的人小，通過(guò)加 水屋的不同，讓水位保持平衡，

4、此為“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”。目前工業(yè)口動(dòng)化控制中，“狀態(tài)閉環(huán)控制”多用于保護(hù)類(lèi)控制，例如汽機(jī)的ets,鍋爐的mft, 化工的esd,水泵保護(hù)等等。其優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)比較快，控制器本身不需要復(fù)雜的計(jì)算，通過(guò)邏輯運(yùn)算棊 本可以實(shí)現(xiàn)；其缺點(diǎn)是一旦收到的反饋信號(hào)為假信號(hào)，則按照假信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，工程上多稱(chēng)之為“課 動(dòng)”。由于動(dòng)作迅速(一般是以“毫秒”為單位進(jìn)行計(jì)算)，所以一旦誤動(dòng)產(chǎn)生，無(wú)法在執(zhí)行之前或之 中做出人為反應(yīng)處理，只能事后補(bǔ)救，而一些重要的保護(hù)一旦產(chǎn)生誤動(dòng)，其影響和損火都是比較大的。 針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)“狀態(tài)閉環(huán)控制”的重要性和損失性，需要將反饋信號(hào)進(jìn)行品質(zhì)判斷處理， 判斷出信號(hào)的真實(shí)性，如果是假信號(hào)

5、，則保持原信號(hào)不變，不觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，避免誤動(dòng)。而且兒 乎所有的“狀態(tài)閉環(huán)控制”都有是否允許執(zhí)行的開(kāi)關(guān)，即聯(lián)鎖按鈕。聯(lián)鎖按鈕對(duì)根據(jù)實(shí)際情況，屏蔽 控制內(nèi)容，這樣就可以部分的對(duì)其進(jìn)行提前控制，把謀動(dòng)的可能性減到最低?！罢{(diào)節(jié)閉環(huán)控制”相對(duì)“狀態(tài)閉環(huán)控制”要復(fù)雜一些，需要控制器進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，計(jì)算出輸出 的結(jié)果給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)而調(diào)節(jié)被調(diào)節(jié)對(duì)彖。從時(shí)間上來(lái)講，“調(diào)廿閉環(huán)控制”是不間斷的時(shí) 時(shí)進(jìn)行計(jì)算和輸出，其周期決定于控制器的運(yùn)算周期?！罢{(diào)節(jié)閉環(huán)控制”需要人為或通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算給 定一個(gè)被控制對(duì)彖的理想的狀態(tài)數(shù)值(給定值set value,簡(jiǎn)丐為s),控制器會(huì)比較實(shí)際的被控制對(duì) 象的數(shù)值(測(cè)量值p

6、ractical value,簡(jiǎn)寫(xiě)p)與給定俏之間的偏差，并計(jì)算出輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的俏(輸 出值output value,簡(jiǎn)寫(xiě)0)給執(zhí)行機(jī)構(gòu),執(zhí)行機(jī)構(gòu)變化,使測(cè)量值改變,控制器再次比較測(cè)量值與 給定值的偏差(以下簡(jiǎn)稱(chēng)偏差)，進(jìn)行下一循環(huán)的計(jì)算并輸出。“調(diào)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(diào)節(jié)”。pid控制器就是根據(jù)偏差，利用比例(proportional)、 積分(integration)微分(differentiation)計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。pid控制器問(wèn)世至今已有近幾十年的歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主

7、耍技術(shù)z。很 多盤(pán)裝儀表控制器就貝備很好的帶有記憶功能的pid控制功能。“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”対控制系統(tǒng)中各個(gè) 壞節(jié)設(shè)備性能的要求比較高，如對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)的線性度要高，不能是越階式執(zhí)行。同時(shí), “調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”因?yàn)槭菚r(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制，所以對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分磨損比較人，部分的影響執(zhí)行機(jī) 構(gòu)的壽命。在“調(diào)肖閉環(huán)控制”中，對(duì)控制系統(tǒng)的各個(gè)部分的工作狀態(tài)也有所要求，同例如執(zhí)行機(jī)構(gòu)，“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)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),乂稱(chēng)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(jué)的變化的有限區(qū)間。例如一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收420ma

8、線性信號(hào)，輸出動(dòng)作是0-100%的機(jī)械力，那么當(dāng)輸入的倍號(hào)是4.0005ma的時(shí)候，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不動(dòng)作的，此時(shí)4.0005ma是處于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)內(nèi)。閥門(mén)是最典型的執(zhí)行機(jī)構(gòu),閥門(mén)的工作特性曲線圖(如圖01)表示出了閥門(mén)死區(qū)與工作線性區(qū)的特點(diǎn)。圖屮y軸代表的是閥門(mén)輸出的機(jī)械動(dòng)作，即實(shí)際開(kāi)度；x軸代表接受到的執(zhí)行命令大小，即要求開(kāi)度。山圖可知，閥門(mén)在關(guān)°1100% 卜°死區(qū)線性區(qū)>t-死區(qū)-圖01閥門(mén)輸出曲線閉時(shí)剛開(kāi)始接收到開(kāi)信號(hào)時(shí)閥門(mén)無(wú)實(shí)際動(dòng)作，這段區(qū)域即是死區(qū)，然后在接受到一定的信號(hào)值后，閥門(mén)開(kāi)始人幅度動(dòng)作，然示進(jìn)入到一個(gè)相對(duì)平緩的直線運(yùn)行區(qū)域，這段相對(duì)平緩的肓線即線性

9、區(qū)(linear zone)o然后再經(jīng)過(guò)人幅度動(dòng)作區(qū)，死區(qū)，到底滿開(kāi)度。關(guān)閉亦然。實(shí)際小，很多閥門(mén)在實(shí)際屮是不 可能完金達(dá)到0%和100%開(kāi)度的，也就是說(shuō)0%開(kāi)度閥門(mén)定或多或少有 些流雖:，而100%開(kāi)度也不 可能是0阻力流動(dòng)的。了解了 “調(diào)節(jié)閉壞控制”的執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，z后進(jìn)行調(diào)節(jié)，方法多為pid調(diào)節(jié)。而pid調(diào)節(jié)有很 多計(jì)算方法，實(shí)際應(yīng)用卻多用“試湊法”，即先通過(guò)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)一組pid參數(shù)值，再根據(jù)實(shí)際效果調(diào)節(jié) 參數(shù)值，達(dá)到預(yù)期的目的。所以實(shí)際中主要調(diào)節(jié)什么參數(shù)，如何去調(diào)節(jié)pid參數(shù)，是最直接需要掌握 的內(nèi)容。首先要知道所調(diào)試的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用方式，即正作用還是反作用。如果被調(diào)節(jié)對(duì)彖的測(cè)量值大于

10、給定值，則增大執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出值，此為正作用。反之為反作用。同一個(gè)容器，即有進(jìn)水閥，也有排水 閥，被調(diào)節(jié)對(duì)象是水位，那么如水位高于期望值，需減小進(jìn)水閥的開(kāi)度，進(jìn)水閥為反作用；需增大排 水閥開(kāi)度，排水閥為正作用。正反作用是pid調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方向問(wèn)題，找對(duì)了方向，才 有可能向好的調(diào)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(diào)節(jié)的作用。比例（p）控制是一種最簡(jiǎn)單、最基礎(chǔ)的控制方式。英控制器的輸出與偏差信號(hào)成比例關(guān)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(diǎn)的直線，而直線的斜率是由比例增益確定的。o調(diào)節(jié)的一方而，測(cè)量值和給定值無(wú)限接近，即偏差值很

11、小越好，從而滿足調(diào)節(jié)的精度：另一方面，調(diào) 節(jié)筋耍具有一定的幅度，以保證調(diào)節(jié)的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將偏差信號(hào)進(jìn)行放大。 比例增益就是用來(lái)設(shè)迸差值信號(hào)的放人系數(shù)的。籠統(tǒng)的講比例增益就是放人倍數(shù)。一般在初次調(diào)試時(shí), 比例增益町按屮間偏人值預(yù)證.待設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)再按實(shí)際情況細(xì)調(diào)。而系統(tǒng)當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出 存在穩(wěn)態(tài)謀差，其測(cè)量值illi線的表現(xiàn)是等幅振蕩。積分（i）控制對(duì)比例控制有強(qiáng)烈的制約效應(yīng)。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn) 態(tài)謀差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)謀差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)謀差，在控制器屮必須引 入“積分。隨著時(shí)間的增加，積分作川會(huì)增人。這樣，即便偏差很小

12、，積分也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加 大,它反向推動(dòng)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(huì)起作川，反作川拉動(dòng)比例増幅。反之如果°100% 1 1 1 0t圖03積分輸出曲線無(wú)偏差或者偏差在允許范圍內(nèi)，積分作用消失。調(diào)節(jié)積分的參數(shù)是積分時(shí)間，由比例控制可知，比例 增益越大，由于慣性導(dǎo)致"超調(diào)，然后反過(guò)來(lái)調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩。引入枳分的效果是，使經(jīng) 過(guò)比例增益放大后的差值信號(hào)在積分時(shí)間內(nèi)逐漸增大，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時(shí)間 太長(zhǎng)，又會(huì)當(dāng)反饋信號(hào)急劇變化時(shí)，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因

13、此，積分時(shí)間的取值與拖動(dòng)系統(tǒng)的 時(shí)間常'數(shù)有關(guān)：拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和積分時(shí)間是成正比的。微分（d）控制是在調(diào)節(jié)系統(tǒng)在進(jìn)行比例控制和積分控制z前進(jìn)行的超前控制，采用微分控制的 主要原因是控制系統(tǒng)中冇滯后性。系統(tǒng)在比例控制z后，被控物理量值未及時(shí)的變化，而是比例控制 超調(diào)的時(shí)候開(kāi)始變化，此時(shí)積分作用己不能對(duì)比例進(jìn)行很好的反拉動(dòng)作用，比例因?yàn)閼T性在達(dá)到理想 輸出時(shí)向反方向移動(dòng)，無(wú)限制振動(dòng)。這樣就需要微分提詢(xún)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(duì)象，抵消滯后時(shí)間，而后比例控制和積分控制起作用，從而o100%0t圖04微分輸出曲線避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。微分根據(jù)差值信號(hào)變化的速率，提前給出i個(gè)相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而縮短 了調(diào)節(jié)時(shí)間，克服因積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而使恢復(fù)滯后的缺陷。微分控制參數(shù)主要是微分時(shí)間，微分時(shí)間的 取值也與拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)冇關(guān)，拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)與微分時(shí)間也是成正比關(guān)系。pid控制是比例、積分、微分結(jié)合作用控制，h前比較常見(jiàn)的是pi控制和pid控制，根據(jù)實(shí)際的p0- t圖05自動(dòng)系統(tǒng)測(cè)量值曲線被控對(duì)彖不同，選擇的控制組合方式也不同，但冃的曲線是相同的，如圖05所示，圖中y軸代表測(cè) 量值及給定刻度。x軸代表時(shí)