智能控制在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用(共11頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上智能控制在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用1現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的特點(diǎn)與智能控制的形成 智能控制形成的工業(yè)因素 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，特別是復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制與綜合自動(dòng)化越來(lái)越成為人們所必須面對(duì)的問(wèn)題。它既是推動(dòng)自動(dòng)控制理論和系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，同時(shí)也對(duì)自動(dòng)控制提出了前所未有的挑戰(zhàn)，其表現(xiàn)為： （1）被控對(duì)象日益復(fù)雜被控對(duì)象往往是無(wú)窮維的復(fù)雜系統(tǒng)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的分布特性，而利用有限參數(shù)模型設(shè)計(jì)的控制，其有效性不能保證。這種復(fù)雜性還表現(xiàn)在被控對(duì)象與環(huán)境的關(guān)系上，如不確定性因素增多，缺乏先驗(yàn)知識(shí)，環(huán)境干擾具有多樣性、時(shí)變性和隨機(jī)性，系統(tǒng)與環(huán)境、系統(tǒng)的

2、各子系統(tǒng)之間和系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)性相當(dāng)強(qiáng)且復(fù)雜。 （2）高度的不確定性現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、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(dòng)態(tài)變化、輸入信息的多樣化和數(shù)據(jù)量顯著增加等，而且其信息結(jié)構(gòu)也發(fā)生了質(zhì)的變化，包括信息的不可預(yù)知性、不完全性等。 （3）多層次、多目標(biāo)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(zhì)，而是力求實(shí)現(xiàn)多樣化、多層次的綜合目標(biāo)，包括協(xié)調(diào)、調(diào)度、管理及決策等。 （4）控制手段的經(jīng)濟(jì)性基于實(shí)時(shí)性、生產(chǎn)成本和操作工素質(zhì)等因素的考慮，控制手段不允許過(guò)分復(fù)雜?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)為追求高質(zhì)量、高可靠、高效益、高適應(yīng)性的"四高"目標(biāo)，一方面

3、其生產(chǎn)規(guī)模越來(lái)越龐大，節(jié)奏越來(lái)越快，工藝越來(lái)越復(fù)雜；另一方面基于嚴(yán)格和精確的數(shù)學(xué)模型描述基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)控制理論的分析、綜合與設(shè)計(jì)技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的控制實(shí)踐存在著巨大的鴻溝，理論與應(yīng)用之間存在著嚴(yán)重的不協(xié)調(diào)性，面對(duì)復(fù)雜的工業(yè)對(duì)象，2工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)在自動(dòng)化（automation）不斷完善和發(fā)展的今天，自動(dòng)化水平已經(jīng)成為衡量企業(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，已經(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

4、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)自動(dòng)化領(lǐng)域，全自動(dòng)洗衣機(jī)就是典型的智能控制自動(dòng)化的例子。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器（controller）、傳感器（sensor）、變送器（transmitter）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（final controlling element）、輸入輸出接口（I/0 interface）五部分組成?？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，自動(dòng)控制

5、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對(duì)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，水龍頭自動(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”是人為干預(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?！伴]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”的辦法是看對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用方式，如上例中，如果

6、水龍頭是開(kāi)關(guān)兩位的，在水位到達(dá)設(shè)定的高度，自動(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)度的大小，通過(guò)加水量的不同，讓水位保持平衡，此為“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”。目前工業(yè)自動(dòng)化控制中，“狀態(tài)閉環(huán)控制”多用于保護(hù)類控制，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)算基本可以實(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，工程上多稱之為“誤動(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

7、要的保護(hù)一旦產(chǎn)生誤動(dòng)，其影響和損失都是比較大的。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)，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?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(kāi)關(guān)，即聯(lián)鎖按鈕。聯(lián)鎖按鈕可根據(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，把誤動(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)象。從時(shí)間上來(lái)講，“調(diào)節(jié)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。

8、“調(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)象的理想的狀態(tài)數(shù)值（給定值 set value，簡(jiǎn)寫為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 practical value，簡(jiǎn)寫P）與給定值之間的偏差，并計(jì)算出輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的值（輸出值 output value，簡(jiǎn)寫O）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)稱偏差），進(jìn)行下一循環(huán)的計(jì)算并輸出?！罢{(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（d

9、ifferentiation）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)控制的主要技術(shù)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?！罢{(diào)節(jié)閉環(huán)控制”對(duì)控制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)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)械部分磨損比較大，部分的影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壽命。在“調(diào)節(jié)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)。

10、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(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線性信號(hào)，輸出動(dòng)作是0100%的機(jī)械力，那么當(dāng)輸入的信號(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)。閥門是最典型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(diǎn)。圖中Y軸代表的是閥門輸出的機(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。由圖可知，閥門在關(guān)閉時(shí)剛開(kāi)始接收到開(kāi)信號(hào)時(shí)閥門無(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，閥門開(kāi)始大幅度動(dòng)作，

11、然后進(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)平緩的直線即線性區(qū)（linear zone）。然后再經(jīng)過(guò)大幅度動(dòng)作區(qū)，死區(qū)，到底滿開(kāi)度。關(guān)閉亦然。實(shí)際中，很多閥門在實(shí)際中是不可能完全達(dá)到0%和100%開(kāi)度的，也就是說(shuō)0%開(kāi)度閥門一定或多或少有一些流量，而100%開(kāi)度也不可能是0阻力流動(dòng)的。了解了“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”的執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，之后進(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

12、，即正作用還是反作用。如果被調(diào)節(jié)對(duì)象的測(cè)量值大于給定值，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。其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。調(diào)節(jié)的一方

13、面，測(cè)量值和給定值無(wú)限接近，即偏差值很小越好，從而滿足調(diào)節(jié)的精度：另一方面，調(diào)節(jié)需要具有一定的幅度，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)置差值信號(hào)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(diào)試時(shí)，比例增益可按中間偏大值預(yù)置待設(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)誤差，其測(cè)量值曲線的表現(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)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)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(shí)間的增加，積分作用會(huì)增大

14、。這樣，即便偏差很小，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)起作用，反作用拉動(dòng)比例增幅。反之如果無(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。引入積分的效果是，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

15、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之前進(jìn)行的超前控制，采用微分控制的主要原因是控制系統(tǒng)中有滯后性。系統(tǒng)在比例控制之后，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)積分作用已不能對(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(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，提前給出一個(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

16、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)有關(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，目前比較常見(jiàn)的是PI控制和PID控制，根據(jù)實(shí)際的被控對(duì)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(cè)量值及給定刻度。X軸代表時(shí)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(jìn)而重合，如曲線“理想狀態(tài)下的被調(diào)節(jié)對(duì)象測(cè)量值曲線”，但實(shí)際中并不能實(shí)現(xiàn)，客觀上比較理想的是圖中“調(diào)節(jié)較好的被調(diào)節(jié)對(duì)象測(cè)量值曲線”，被控量圍繞給定量振蕩幾個(gè)周期后，靠近給定量。實(shí)際

17、中，被控量和給定量是不可能完全重合，存在動(dòng)態(tài)的偏差。至于是否能穩(wěn)定，或者經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期才平穩(wěn)，要取決于參數(shù)的設(shè)置，各個(gè)控制環(huán)節(jié)的性能，還有外擾。3 智能控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)展望目前，控制理論與技術(shù)向著2個(gè)方向發(fā)展，一是就一個(gè)理論或方法本身的深入研究；二是將不同的方法適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合在一起，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，形成新的控制系統(tǒng)，獲得單一方法所難以達(dá)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制各有特點(diǎn)，因此目前有些研究者集成這些方法，形成了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家模糊控制等多個(gè)方向。例如，一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊焊接控制方法 、基于進(jìn)化計(jì)算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的財(cái)政預(yù)算方法 、用于醫(yī)學(xué)診斷的粗集神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng) 和基于模糊專家系統(tǒng)的不穩(wěn)定電