智能控制在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用

1、精選文檔智能把握在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用1現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的特點與智能把握的形成 智能把握形成的工業(yè)因素 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和工業(yè)生產(chǎn)的不斷進展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程，特殊是簡單工業(yè)生產(chǎn)過程的把握與綜合自動化越來越成為人們所必需面對的問題。它既是推動自動把握理論和系統(tǒng)科學(xué)進展的強大動力，同時也對自動把握提出了前所未有的挑戰(zhàn)，其表現(xiàn)為： （1）被控對象日益簡單被控對象往往是無窮維的簡單系統(tǒng)，表現(xiàn)出很強的分布特性，而利用有限參數(shù)模型設(shè)計的把握，其有效性不能保證。這種簡單性還表現(xiàn)在被控對象與環(huán)境的關(guān)系上，如不確定性因素增多，缺乏先驗學(xué)問，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)

2、內(nèi)部的關(guān)聯(lián)性相當強且簡單。 （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)境有很多未知因素，如環(huán)境的動態(tài)變化、輸入信息的多樣化和數(shù)據(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，包括信息的不行預(yù)知性、不完全性等。 （3）多層次、多目標的把握要求現(xiàn)代工業(yè)把握所追求的已不僅僅是低層次上單一的品質(zhì)，而是力求實現(xiàn)多樣化、多層次的綜合目標，包括協(xié)調(diào)、調(diào)度、管理及決策等。 （4）把握手段的經(jīng)濟性基于實時性、生產(chǎn)成本和操作工素養(yǎng)等因素的考慮，把握手段不允許過分簡單?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)為追求高質(zhì)量、高牢靠、高效益、高適應(yīng)性的"四高"目標，一方面其生產(chǎn)規(guī)模越來越浩

3、大，節(jié)奏越來越快，工藝越來越簡單；另一方面基于嚴格和精確的數(shù)學(xué)模型描述基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)把握理論的分析、綜合與設(shè)計技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的把握實踐存在著巨大的鴻溝，理論與應(yīng)用之間存在著嚴峻的不協(xié)調(diào)性，面對簡單的工業(yè)對象，2工業(yè)自動化把握系統(tǒng)在自動化（automation）不斷完善和進展的今日，自動化水平已經(jīng)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(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。我國的自動化進展歷程也經(jīng)受了以“觀測”為主的第一階段，以“觀測”并“人為反應(yīng)”的其次階段，已經(jīng)漸漸進入到“自動測量自動反應(yīng)”的第三階段。這些進步，同時需要把握理論和實踐的完善，智

4、能把握（intelligent controls）作為現(xiàn)代把握理論基礎(chǔ)上進展起來的新型把握理論，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個自動化領(lǐng)域，全自動洗衣機就是典型的智能把握自動化的例子。一個把握系統(tǒng)包括把握器（controller）、傳感器（sensor）、變送器（transmitter）、執(zhí)行機構(gòu)（final controlling element）、輸入輸出接口（I/0 interface）五部分組成。把握器的輸出經(jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；把握系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到把握器，這樣完成了一次正常的運算把握操作。依據(jù)自動把握有無針對對象來劃分，自動把握可分為“開環(huán)把握”

5、和“閉環(huán)把握”。區(qū)分“開環(huán)把握”和“閉環(huán)把握”最直接的方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看的。例如向一個容器里加水，有水位測量設(shè)備，水位到達設(shè)定的高度，水龍頭自動關(guān)斷，這就是“閉環(huán)把握”；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)把握”。當然，智能把握，目標是不需要人為干預(yù)，所以，我們可以簡潔的認為“開環(huán)把握”是人為干預(yù)把握，不能完全體現(xiàn)智能把握的特點，所以在這里不去深究它?！伴]環(huán)把握”依據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的不同，可分為“狀態(tài)閉環(huán)把握”和“調(diào)整閉環(huán)把握”。區(qū)分“狀態(tài)閉環(huán)把握”和“調(diào)整閉環(huán)把握”的方法是看對執(zhí)行機構(gòu)的作用方式，如上例中，假如水龍頭是開關(guān)兩位的

6、，在水位到達設(shè)定的高度，自動關(guān)斷水龍頭，則此為“狀態(tài)閉環(huán)把握”；假如水龍頭是可調(diào)整的，依據(jù)水位高度的不同，調(diào)整水龍頭開度的大小，通過加水量的不同，讓水位保持平衡，此為“調(diào)整閉環(huán)把握”。目前工業(yè)自動化把握中，“狀態(tài)閉環(huán)把握”多用于愛護類把握，例如汽機的ETS，鍋爐的MFT，化工的ESD，水泵愛護等等。其優(yōu)點是反應(yīng)比較快，把握器本身不需要簡單的計算，通過規(guī)律運算基本可以實現(xiàn)；其缺點是一旦收到的反饋信號為假信號，則依據(jù)假信號進行動作，工程上多稱之為“誤動”。由于動作快速（一般是以“毫秒”為單位進行計算），所以一旦誤動產(chǎn)生，無法在執(zhí)行之前或之中做出人為反應(yīng)處理，只能事后補救，而一些重要的愛護一旦產(chǎn)生誤

7、動，其影響和損失都是比較大的。針對這個問題，依據(jù)現(xiàn)場“狀態(tài)閉環(huán)把握”的重要性和損失性，需要將反饋信號進行品質(zhì)推斷處理，推斷出信號的真實性，假如是假信號，則保持原信號不變，不觸發(fā)執(zhí)行機構(gòu)工作，避開誤動。而且?guī)缀跞康摹盃顟B(tài)閉環(huán)把握”都有是否允許執(zhí)行的開關(guān)，即聯(lián)鎖按鈕。聯(lián)鎖按鈕可依據(jù)實際狀況，屏蔽把握內(nèi)容，這樣就可以部分的對其進行提前把握，把誤動的可能性減到最低?！罢{(diào)整閉環(huán)把握”相對“狀態(tài)閉環(huán)把握”要簡單一些，需要把握器進行簡單的運算，計算出輸出的結(jié)果給執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)進而調(diào)整被調(diào)整對象。從時間上來講，“調(diào)整閉環(huán)把握”是不間斷的時時進行計算和輸出，其周期打算于把握器的運算周期?！罢{(diào)整閉環(huán)把握”需

8、要人為或通過系統(tǒng)計算給定一個被把握對象的抱負的狀態(tài)數(shù)值（給定值 set value，簡寫為S），把握器會比較實際的被把握對象的數(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(gòu)的值（輸出值 output value，簡寫O）給執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)變化，使測量值轉(zhuǎn)變，把握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?！罢{(diào)整閉環(huán)把握”一般常用的把握方式是“比例積分微分把握”即“PID把握”或“PID調(diào)整”。PID把握器就是依據(jù)偏差，利用比例（proportional）、積分（integration）、微分（differenti

9、ation）計算出把握量進行把握的。PID把握器問世至今已有近幾十年的歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡潔、穩(wěn)定性好、工作牢靠、調(diào)整便利而成為工業(yè)把握的主要技術(shù)之一。很多盤裝儀表把握器就具備很好的帶有記憶功能的PID把握功能。“調(diào)整閉環(huán)把握”對把握系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)設(shè)備性能的要求比較高，如對執(zhí)行機構(gòu)，要求執(zhí)行機構(gòu)的線性度要高，不能是越階式執(zhí)行。同時，“調(diào)整閉環(huán)把握”由于是時時調(diào)整把握，所以對執(zhí)行機構(gòu)的機械部分磨損比較大，部分的影響執(zhí)行機構(gòu)的壽命。在“調(diào)整閉環(huán)把握”中，對把握系統(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(gòu)，“調(diào)整閉環(huán)把握”要求執(zhí)行機構(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

10、 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(gòu)，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(gòu)是不動作的，此時4.0005mA是處于執(zhí)行機構(gòu)的死區(qū)內(nèi)。閥門是最典型的執(zhí)行機構(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。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(guān)閉時剛開頭接收到開信號時閥門無實際動作，這段區(qū)域即是死區(qū)，然后在接受到肯定的信號值后，閥門開頭大幅度動作，然后進入到一個相對

11、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(jīng)過大幅度動作區(qū)，死區(qū)，到底滿開度。關(guān)閉亦然。實際中，很多閥門在實際中是不行能完全達到0%和100%開度的，也就是說0%開度閥門肯定或多或少有一些流量，而100%開度也不行能是0阻力流淌的。了解了“調(diào)整閉環(huán)把握”的執(zhí)行機構(gòu)特點，之后進行調(diào)整，方法多為PID調(diào)整。而PID調(diào)整有很多計算方法，實際應(yīng)用卻多用“試湊法”，即先通過閱歷預(yù)設(shè)一組PID參數(shù)值，再依據(jù)實際效果調(diào)整參數(shù)值，達到預(yù)期的目的。所以實際中主要調(diào)整什么參數(shù)，如何去調(diào)整PID參數(shù)，是最直接需要把握的內(nèi)容。首先要知道所調(diào)試的調(diào)整系統(tǒng)的作用方式，即正作用還是反作

12、用。假如被調(diào)整對象的測量值大于給定值，則增大執(zhí)行機構(gòu)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(diào)整對象是水位，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(diào)整的基礎(chǔ)，是執(zhí)行機構(gòu)的方向問題，找對了方向，才有可能向好的調(diào)整效果上進展。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)整的作用。比例（P）把握是一種最簡潔、最基礎(chǔ)的把握方式。其把握器的輸出與偏差信號成比例關(guān)系。比例把握的輸出曲線如圖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(diào)整的一方面，測量值和給定值

13、無限接近，即偏差值很小越好，從而滿足調(diào)整的精度：另一方面，調(diào)整需要具有肯定的幅度，以保證調(diào)整的靈敏度。解決這一沖突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(shè)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(diào)試時，比例增益可按中間偏大值預(yù)置待設(shè)備運轉(zhuǎn)時再按實際狀況細調(diào)。而系統(tǒng)當僅有比例把握時系統(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）把握對比例把握有猛烈的制約效應(yīng)。對一個自動把握系統(tǒng)，假如在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個把握系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消退穩(wěn)態(tài)誤差，在把握器中必需引入“積分”。隨著時間的增加，積分作用會增大。這樣，即便偏差很

14、小，積分也會隨著時間的增加而加大，它反向推動把握器的輸出，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。反之假如無偏差或者偏差在允許范圍內(nèi)，積分作用消逝。調(diào)整積分的參數(shù)是積分時間，由比例把握可知，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在積分時間內(nèi)漸漸增大，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，被控物理量難以快速恢復(fù)。因此，積分時間的取值與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)和積分時間

15、是成正比的。微分（D）把握是在調(diào)整系統(tǒng)在進行比例把握和積分把握之前進行的超前把握，接受微分把握的主要緣由是把握系統(tǒng)中有滯后性。系統(tǒng)在比例把握之后，被控物理量值未準時的變化，而是比例把握超調(diào)的時候開頭變化，此時積分作用已不能對比例進行很好的反拉動作用，比例由于慣性在達到抱負輸出時向反方向移動，無限制振動。這樣就需要微分提前把握，微分把握曲線如圖04，微分作用是在比例把握之前，提前輸出作用于被控對象，抵消滯后時間，而后比例把握和積分把握起作用，從而避開了被控量的嚴峻超調(diào)。微分依據(jù)差值信號變化的速率，提前給出一個相應(yīng)的調(diào)整動作，從而縮短了調(diào)整時間，克服因積分時間過長而使恢復(fù)滯后的缺陷。微分把握參數(shù)主

16、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(guān)，拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)與微分時間也是成正比關(guān)系。PID把握是比例、積分、微分結(jié)合作用把握，目前比較常見的是PI把握和PID把握，依據(jù)實際的被控對象不同，選擇的把握組合方式也不同，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，我們期望的曲線，是被控量直接向給定量靠近，進而重合，如曲線“抱負狀態(tài)下的被調(diào)整對象測量值曲線”，但實際中并不能實現(xiàn)，客觀上比較抱負的是圖中“調(diào)整較好的被調(diào)整對象測量值曲線”，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

17、是不行能完全重合，存在動態(tài)的偏差。至于是否能穩(wěn)定，或者經(jīng)過幾個周期才平穩(wěn)，要取決于參數(shù)的設(shè)置，各個把握環(huán)節(jié)的性能，還有外擾。3 智能把握技術(shù)進展趨勢展望目前，把握理論與技術(shù)向著2個方向進展，一是就一個理論或方法本身的深化爭辯；二是將不同的方法適當?shù)亟Y(jié)合在一起，相互取長補短，發(fā)揮各自優(yōu)勢，形成新的把握系統(tǒng)，獲得單一方法所難以達到的效果，最近消滅了下面幾種智能把握中的混合算法。由于專家系統(tǒng)把握、模糊把握和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把握各有特點，因此目前有些爭辯者集成這些方法，形成了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把握和專家模糊把握等多個方向。例如，一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊焊接把握方法 、基于進化計算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的財政預(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)