探討模式識(shí)別在過(guò)程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、    探討模式識(shí)別在過(guò)程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用    王思月左越耿詩(shī)宇摘 要：從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，模式識(shí)別是一種分類(lèi)方法，不需要通過(guò)過(guò)程數(shù)學(xué)模型就可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)決策，因此在很多控制領(lǐng)域都有非常重要的作用。模式識(shí)別在過(guò)程控制系統(tǒng)中應(yīng)用具有很大的優(yōu)越性，能夠解決過(guò)程控制系統(tǒng)中的復(fù)雜問(wèn)題。因此，本文主要分析了模式識(shí)別方法在過(guò)程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并指出其未來(lái)的研究方向與趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：模式識(shí)別；過(guò)程控制系統(tǒng)；故障診斷；自整定控制近年來(lái)，模式識(shí)別在工業(yè)控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，能夠有效改善控制系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，對(duì)于提高控制精度也大有裨益。為此，本文著重探討了模式識(shí)別在過(guò)程控制中的具

2、體應(yīng)用，并且指出了現(xiàn)在的研究成果、研究方向和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，希望對(duì)模式識(shí)別在過(guò)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用起到參考和借鑒作用。1 模式識(shí)別方法的產(chǎn)生及作用模式識(shí)別方法產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，并在之后得到了快速的發(fā)展，利用這種方法可以有效地描述、分析和識(shí)別模式。具體而言，模式識(shí)別的處理方法有很多，概括起來(lái)主要有以下四種：第一，統(tǒng)計(jì)決策；第二，語(yǔ)言結(jié)構(gòu)；第三，智能識(shí)別；第四，模糊識(shí)別。統(tǒng)計(jì)決策主要建立在決策理論的基礎(chǔ)上，基于隨機(jī)的模式，之后提取它的形狀和紋理，并用參量或非參量的形式體現(xiàn)出來(lái)。語(yǔ)言結(jié)構(gòu)的方法是將字詞等原始的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)重新組合，字詞間的關(guān)系主要依靠語(yǔ)法規(guī)則體現(xiàn)出來(lái)。模糊識(shí)別方法的創(chuàng)始人是l.a.za

3、deh，這種方法的理論基礎(chǔ)是模糊數(shù)學(xué)。最后，智能識(shí)別的方法是模式識(shí)別的進(jìn)一步發(fā)展。在過(guò)程控制系統(tǒng)中，模式識(shí)別具有非常重要的意義，能夠有效解決普通機(jī)理建模方法的弊端。這一方法主要通過(guò)控制操作參數(shù)、輸出和過(guò)程信息之間的關(guān)系，對(duì)生產(chǎn)工況進(jìn)行預(yù)測(cè)與控制，從而有利于達(dá)到科學(xué)決策的作用。如今，模式識(shí)別可以運(yùn)用到更加先進(jìn)的方法與硬件，其優(yōu)越性得以進(jìn)一步顯現(xiàn)，在控制系統(tǒng)領(lǐng)域一定會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。2 模式識(shí)別在過(guò)程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)識(shí)別自從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，模式識(shí)別就能夠有效解決系統(tǒng)辨識(shí)，在控制領(lǐng)域成了一個(gè)熱門(mén)研究項(xiàng)目。g.n.saridis等研究人員將結(jié)構(gòu)識(shí)別的方法運(yùn)用到非線性系統(tǒng)之中，

4、主要將非線性系統(tǒng)作為主要的研究對(duì)象，成為決策的重要理論依據(jù)。結(jié)構(gòu)識(shí)別的方法也可以通過(guò)研究互相關(guān)函數(shù)，在應(yīng)用k近鄰法的理論基礎(chǔ)上，將非線性隨機(jī)系統(tǒng)劃分為已知類(lèi)別，并運(yùn)用了隨機(jī)逼近學(xué)習(xí)理論中的相關(guān)參數(shù)，達(dá)到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的識(shí)別與控制。之后，出現(xiàn)了j.kittler等研究人員，這些人員在運(yùn)用saridis等人研究成果的基礎(chǔ)上，有效解決了非線性系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)辨識(shí)問(wèn)題。w.j.hill在生物系統(tǒng)辨識(shí)領(lǐng)域中也應(yīng)用了這一方法。m.cadaparthi對(duì)分布參數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，是對(duì)模式識(shí)別概念的進(jìn)一步發(fā)展。首先，通過(guò)分析驗(yàn)前信息，從而通過(guò)計(jì)算得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。在輸入系統(tǒng)中的有效信息之后，運(yùn)用觀測(cè)向量得到模式向量

5、，再通過(guò)模式向量得到?jīng)Q策結(jié)果。由此可知，決策結(jié)果是依據(jù)模型結(jié)構(gòu)得出的，可以看作是模型結(jié)構(gòu)的解。2.2 動(dòng)態(tài)建模與狀態(tài)估計(jì)如果技術(shù)人員對(duì)模型結(jié)構(gòu)不清楚，所有數(shù)據(jù)也都是從系統(tǒng)中得來(lái)，除了要依靠模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行辨識(shí)以外，還需要依靠相關(guān)參數(shù)才能達(dá)到模式識(shí)別的作用。另外，只有通過(guò)模式識(shí)別，才能有效地建立動(dòng)態(tài)模型。具體而言，動(dòng)態(tài)建模與狀態(tài)估計(jì)的主要建立過(guò)程如下：首先，需要設(shè)定一個(gè)非線性siso系統(tǒng)，之后再運(yùn)用計(jì)算公式de：x（k+1）=f（x（k），u（k），在模型結(jié)構(gòu)未知的前提下，我們可以將x（k+1）的值域劃分為r個(gè)子域，即【ximin，ximax】（i=1，r；ximax=xi+1min），如果根據(jù)已知

6、的x（k）與u（k），就可以通過(guò)分類(lèi)的方法，計(jì)算得知x（k+1）的子域范圍，這樣就能夠起到描述de動(dòng)態(tài)特性的作用。2.3 智能與優(yōu)化控制從理論上來(lái)說(shuō)，模式識(shí)別借鑒了行為科學(xué)中的很多理論成果，不僅具有記憶與學(xué)習(xí)的功能，同時(shí)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。因此，模式識(shí)別可以有效應(yīng)用到研究結(jié)構(gòu)不確定，或者隨機(jī)環(huán)境結(jié)構(gòu)中，對(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與決策有非常重要的作用。假定控制過(guò)程未知，僅能從輸出定性關(guān)系表現(xiàn)模型，x（k+1）=f（x（k），u（k），y（k）=g（x（k）。在上述公式中，x（k）屬于狀態(tài)向量，而y（k）屬于離散時(shí)間輸出向量，u（k）則屬于控制輸入向量。在這一控制理論模型中，最主要的目的是要找出過(guò)程持續(xù)階段

7、的控制序列，提高預(yù)測(cè)與判斷的精準(zhǔn)度，盡量降低性能準(zhǔn)則j（u）的數(shù)值。在過(guò)程控制系統(tǒng)中，模式識(shí)別得到了有效運(yùn)用，出現(xiàn)了很多智能化的模式控制方案。在最優(yōu)控制的前提下，smith在控制系統(tǒng)中引入了可訓(xùn)練模式分類(lèi)器，之后k.s.fu還研究出了再勵(lì)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，將“獎(jiǎng)優(yōu)罰劣”的原則貫徹其中，并對(duì)lqg系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，提出了子目標(biāo)的系統(tǒng)劃分方法。以上研究發(fā)現(xiàn)在過(guò)程控制系統(tǒng)中都得到了廣泛應(yīng)用，其理論還在衛(wèi)星姿態(tài)控制、核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。另外，在bayes學(xué)習(xí)法的基礎(chǔ)之上，saridis也拓展了模式識(shí)別的應(yīng)用領(lǐng)域，將其應(yīng)用到未知參數(shù)系統(tǒng)的控制中，并實(shí)現(xiàn)了漸進(jìn)最優(yōu)控制的目標(biāo)。最后，一些學(xué)者還在機(jī)

8、械手、熱軋機(jī)和交通系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用模式識(shí)別，極大地拓展了模式識(shí)別的應(yīng)用范圍。2.4 自整定控制自整定控制的主要標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)是pid，控制過(guò)程分為兩大部分：第一，獲取充分的過(guò)程特性；第二，優(yōu)化控制器中的相關(guān)參數(shù)。通常來(lái)說(shuō)，過(guò)程特性的獲得必須在線進(jìn)行，但是控制器參數(shù)的優(yōu)化在離線狀態(tài)下也可以進(jìn)行。當(dāng)前，pid參數(shù)自整定通常都運(yùn)用離線的方式，通過(guò)整定規(guī)則來(lái)獲得。由此可見(jiàn)，過(guò)程特性的獲取尤為重要，是得出在線計(jì)算量的前提，需要借助過(guò)程模型體現(xiàn)出來(lái)，因此獲取特性的過(guò)程就是模式識(shí)別的過(guò)程。過(guò)程模型需要依靠專業(yè)的辨識(shí)技術(shù)，但是如果運(yùn)用pid進(jìn)行參數(shù)自整定的話，所采用的方法就屬于閉環(huán)辨識(shí)，需要盡量控制對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的擾動(dòng)，

9、在辨識(shí)方法和程序上較為簡(jiǎn)便。根據(jù)模式識(shí)別的應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，模型辨識(shí)方法也存在很多弊端。第一，開(kāi)展模型辨識(shí)的過(guò)程需要相應(yīng)激勵(lì)，會(huì)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)作用；第二，模型辨識(shí)需要符合實(shí)際情況，并且需要精準(zhǔn)地辨識(shí)相關(guān)模型參數(shù)。據(jù)此，目前又產(chǎn)生了一種新型的自整定控制方法，即專家自整定方法。這種控制方法以模式識(shí)別為基礎(chǔ)，是建立在工程師的專業(yè)知識(shí)之上的，通過(guò)在線識(shí)別的方式對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行整定。這種方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，同時(shí)具備性能好的特點(diǎn)。但是，如果這種自整定方法不具備模式判斷知識(shí)，或者由于其他原因使專家系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤，就會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的發(fā)散效應(yīng)。因此，這種自整定方法仍需進(jìn)一步修改與完善。3 結(jié)語(yǔ)模式識(shí)別在過(guò)程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用已日趨廣泛，但仍面臨很多問(wèn)題，需要進(jìn)一步地妥善解決。今后，模式識(shí)別的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)注重過(guò)程控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，利用專家系統(tǒng)法提高算法速度，并達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目標(biāo)。同時(shí)，要探索模式識(shí)別在過(guò)程控制應(yīng)用的新領(lǐng)域，充分發(fā)揮模式識(shí)別的作用，拓展模式識(shí)別的應(yīng)用范圍。參考文獻(xiàn)：1 邱道