淺談工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的智能控制

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

2、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。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口、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(yùn)算控制操作。按照自動(dòng)控制有無針對(duì)對(duì)象來劃分，自動(dòng)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(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

3、，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。“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”的辦法是看對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用方式，如上例中，如果水龍頭是開關(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)水龍頭開度的大小，通過加水量的不同，讓水位保持平衡，此為“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”。目前

4、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)，其影響和損失都是比較大的。針對(duì)這個(gè)問題，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

5、，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?！罢{(diào)節(jié)閉環(huán)控制”需要人為或通過系統(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

6、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（differentiation）計(jì)算出控制量進(jìn)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(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

7、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)。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(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

8、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(guān)閉時(shí)剛開始接收到開信號(hào)時(shí)閥門無實(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，閥門開始大幅度動(dòng)作，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)過大幅度動(dòng)作區(qū)，死區(qū)，到底滿開度。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%開度的，

9、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(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)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)水閥的開度，進(jìn)水閥

10、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(diào)節(jié)的基礎(chǔ)，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方向問題，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)的一方面，測(cè)量值和給定值無限接近，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。比例增益就是用來設(shè)置差值信號(hào)的放大系數(shù)的

11、。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。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

12、例增幅。反之如果無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)”，然后反過來調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩。引入積分的效果是，使經(jīng)過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)

13、的時(shí)候開始變化，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)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，