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青岛科技大学研究生学位论文 小型密炼机的智能控制系统及实验研究 摘要 随着子午胎的快速发展，作为橡胶加工主要设备一密炼机已显得越来越重 要。其混炼胶质量的好坏，直接影响到轮胎的质量和使用寿命。影响混炼胶质 量的因素是很多的，其中密炼机控制系统的水平是主要因素之一。近年来随着 科学技术的飞速发展和计算机以及自动化技术、泛应用，再加上人们对密炼机 控制系统的认识越来越深刻，促进了密炼机控制系统快速发展，由过去的手动 控制发展为自动控制。近年来，己发展成为智能化控制。 本文在查测了国内外大量有关密炼机控制方面的文献和总结前人所作的工 作基础上，尝试将模糊控制法引入密炼机的控制系统，规则就是优化的功率曲 线，根据混炼的即时情况自动改变密炼机的控制参数( 主要是转子转速) 。根 据混炼过程重消耗的功率曲线的形状来判断和控制炼胶过程，决定是否排胶。 在模糊控匍j 理论和功率曲线控制理论的指导下，本人设计丌发了这套小型 密炼机的智能控制系统。小型密炼机足为了做实验而丌发设计的，其特点就是 要求控制方法多样化、控制效果精确化。这套智能控制系统包括上位机和下位 机两大部份，上位机乇要由一台工业计算机构成，为了实现智能控制，开发了 相应的智能控制软件，包括用户程序和模糊控制程序。其中，用户程序是为了 操作人员输入混炼数据如：配方、时间、选择控制方法等，并在混炼过程中显 示混炼信息，如消耗的功率、转子转速、上顶栓压力、胶料温度、冷却水温度 等，如h 现意外情况，还i 叮报警提示；在混炼结束后，还可以保存、打印输出 当前、以前的工作信息，方便人们参考。模糊控制程序是在操作人员选择了模 糊控制法后，根据当前得混炼情况，调出相应的模糊控制规则( 功率曲线) ， 进行模糊推理，即控制密炼机混炼的情况。下位机主要由p l c 、直流调速器、 传感器以及其它各种外围设备组成，核心部件是p l c ，它是上位机和f 位机的 联系的中枢，又是卜- 位机的指挥中心，从传感器上传来的密炼机的混炼信息通 过p l c 上传给上位机( 工业计算机) ，上位机的控制指令通过它再发送给各个 执行部件，如直流调速器( 调节转子功率) 、比例调节阀( 调节上定栓压力) 、 电磁阀等等。最后通过实验对这套模糊控制系统的基础上进行了验证。 本文完成的主要工作如f ： 1 、在分析密炼机的瞬时功率与混炼胶粘度的关系和智能控制原理的基础上， 小型密炼机的智能控制系统及实验研究 提出采用模糊控制方法，且首次提出用功率曲线作为模糊控制规则。 2 、改造和研发了下位机硬件系统。 3 、研制开发了上位机用户程序和智能控制软件以及下位机的控制软件。为 了实现智能控制，根据控制原理和制定的控制方案编写了上位机的用户程序软 件和智能控制软件，为用户提供混炼信息输入、报警输出和以往数据查询的界 面，并且在密炼机进行混炼时，提供优化混炼指令，实现优化混炼。下位机是 上位机的必要辅助部分，是为实现e 位机的控制指令而设计，下位机也必须配 有相应的软件爿能实现其功能。 4 、完成了整个控制系统安装调试。在硬件安装和软件编写完成后，进行了 调试运行，该系统运行正常。 5 、通过大量实验，对所研发的小型密炼机智能控制进行了验证。 关键词：密炼机智能控制系统p l c 直流调速器实验 青岛科技人学研究生学位论文 t h e i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m f o rm i n i a t u r e i n t e r n a lm i x e ra n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f t h em e r i d i a nl y r e ，b eu s e d a st h er u b b e r p r o c e s st h em a i ne q u i p m e n t s m i x e r h a v es e e m e dt ob em o r ea n dm o r e i m p o r t a n t t h eq u a l i t yo f i t sr u b b e rc o m p o u n d sa f f e c tt h eq u a n t i t yo f t h et i r ea n dt h es e r v i c e1 i f e d i r e c t l y t h e r ea r ea 1 0 to ff a c t o r sw h i c ha f f e c tt h eq u a l i t yo f t l l er u b b e rc o m p o u n d s ， a m o n g t h e mt h e1 e v e lo f t h em i x e r sc o n t r 0 1s y s t e mi so n eo f t h em a i nf a c t o r s p e o p l e h a v et h em o r ea n dm o r ed e e pc o g n i t i o no f t h em i x e rc o n t r o ls y s t e mi nr e c e n ty e a r s m o r e o v e r ，a l o n gw i t h t h ef l yd e v e l o p m e n t o f t e c h n o l o g ya n d t h ee x t e n s i v e a p p l i c a t i o no f t h ec a l c u l a t o ra n d a u t o m a t i o nt e c h n i q u e a c c e l e r a t e st h em i x e rc o n t r o l s y s t e mt od e v e l o pf a s t w h i c h h a v ed e v e l o pf r o m p a s tn l a n u a l c o n t r 0 1t oa u t o m a t i c c o n t r 0 1 i nr e c e n ty e a r s t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lc o m ef o r t ho nt h ef o u n d a t i o no f n o r m a lc o n t r o lr e g u l a t i o n s 0 nt h eb a s eo f c h e c k i n gl a r g eq u a n t i t yo f d o m e s t i ca n do v e r s e a sr e l e v a n t d o c u m e n ti nt h ea s p e c t so f m i x e rc o n t r o la n ds u m m a r i z i n gt h ep a s tw o r kt h i sp a p e r t r yt ol c a dt h ef u z z yc o n t r o lm e t h o d i n t ot h em i x e rc o n t r o js y s t e m t h er u l ei sa n e x c e l l e n tp o w e rc u r v e t h ec o n t r o lp a r a m e t e ro fm i x e rf p r i m a r i l yi st oc h a n g et h e r o t o rs p e e d ) c a nc h a n g ea u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h ei n s t a n tc i r c u m s t a n c e i tc a n p r o c e e dw i t hc o m p a r i n g i tw i t ht h ee x c e l l e n t p o w e r c u r v et oj u d g et h eq u a l i t yo f r u b b e rc o m p o u n d si nt h i sb a t c h a n dt oa d o p tr e l e v a n tm e t h o dt oi m p r o v e m a k i n g u s eo f t h ef u z z yc o n t r 0 1m e t h o dc a l lc o n t r o lt h ep r o c e s so f m i xa l lt h ew h i l e l e ti tg o a l o n g t h ee x c e l l e n tp o w e rc u r v es t r i c t l y b yt h i sm e a n sc a nc o n t r o lt h ew h o l ep r o c e s s o f m i xa n dc o n t r o lt h eq u a l i t yo f r u b b e rc o m p o u n d si nt h ee n d l e dw i t ht h ef u z z ya n dt h ep o w e rc u r v ec o n t r o lt h e o r i e s id e s i g na n dd e v e l o p t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo ft h em i n i a t u r em i x e r t h em i n i a t u r em i x e ri s d e s i g n e df o rd o i n g t h ee x p e r i m e n t i t sc h a r a c t e r i s t i c si sr e q u e s t sf o rd i v e r s i t y c o n t r o lm e t h o dm a dt h ep r e c i s ec o n t r o lr e s u l t t h i ss e to fi n t e l l i g e n tc o n t r 0 1s y s t e m i n c l u d e st h et w o p a r t s o f m a i n m a c h i n ea n ds u b m i t t e d m a c h i n e t h em a i n - m a c h i n e c o m p r i s eai n d u s t r yc o m p u t e rm a i n l y i no r d e r t or e a l i z i n gt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l s ， d e v e l o p e dt h eh o m o l o g o u si n t e l l i g e n tc o n t r o ls o f t w a r e ，i n c l u d i n g t h ec u s t o m e ra n d 小型密炼机的智能控制系统及实验研究 f u z z yc o n t r o lp r o c e d u r e s i tc a nb ee n l a r g et ou s ei nt h el a r g em i x e rv e r yw e l l a m o n g t h e m ，t h ec u s t o m e rp r o c e d u r ei sf o ro p e r a t o r st oi n p u tt h em i x i n gd a t as u c h a sd i r e c t i o n sf o r p r o d u c i n gr u b b e rc o m p o u n d s ，t i m ea n dc h o o s eo f c o n t r o lm e t h o d e t c ，a n dt os h o wt h ei n f o r m a t i o no ft h em i xp r o c e s s ，s u c ha st h ec o n s u m e dp o w e r t h er o t o rs p e e d 也ep r e s s u r eo f t h ec r e s tb o l t t h et e m p e r a t u r eo f r u b b e rc o m p u r m d s a n d c o o l i n g w a t e re t c i fa p p e a rt h ea c c i d e n tc i r c u m s t a n c e ，c a na l s og i v e a l a l t n a t i e rt h em i xc a l la l s os a v ea n d p r i n tt h e c u r r e n ta n d p r e v i o u sw o r k i n f o r m a t i o n w h i c hi sc o n v e n i e n tf o rp e o p l et oc o n s u l t f u z z yc o n t r 0 1p r o c e d u r ei s a f t e rt h eo p e r a t o rc h o s ef u z z yc o n t r o lm e t h o d ，a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tc i r c u m s t a n c e o f m i xs t a r t su pt h eh o m o l o g o u s f u z z y c o n t r o lr u l e ( p o w e r c u r v e ) t op r o c e e d t h e f u z z yr e a s o n i n g t h e n t oc o n t r o lt h ep r o c e s so ft h em i x e r s u b m i t t e d m a c h i n ei sm a d e u po fp l c ，d i r e c tc u r r e n tm o t o r ，s e n s o r sa n do t h e re v e r yk i n do f p e r i p h e r a l s e q u i p m e n t s t h e c o r ep a r t si sp l c w h i c hi st h ec e n t r u mo f c o n t a c tb e t w e e n m a i n m a c h i n ea n ds u b m i t t e d m a c h i n e a n da l s ot h ec o n t r 0 1c e n t e ro ft h es u b m i t t e d m a c h i n e t h o u g hp l c t h ei n f o r m a t i o nr e c e i v e db ys e n s o r ss e n dt on l a i n - m a c h i n e f i n d u s t r yc o m p u t e r ) a n d 恤ei n s t r u c t i o n sf r o mm a i n m a c h i n ed e l i v e rt oe x e c u t i n g m a c h i n es u c ha st h ed i r e c tc u r r e n tm o t o r ( a d j u s t i n gt h er o t o rs p e e d ) ，t h e p r o p o r t i o n r e g u l a t o r ( a d j u s t i n g t h ep r e s s u r eo f t h ec r e s tb o l t ) ，e l e c t r o m a g n e t i s mv a l v ee t c o n t h ef o u n d a t i o no f t h ef u z z yc o n t r o ls y s t e mi ti sv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n t f i n a l l y t h em a i n w o r ka n dr e s u l to f 廿1 i sp a d e r p r i m a r i l y a sf o l l o w s ： 1 0 nt h eb a s eo f t h ea n a l y s i so f t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ei n s t a n t a n e o u sp o w e r a n dt h ev i s c o s i t yo f l l l er u b b e rc o m p o u n d s b r i n gf o r w a r dt h ef u z z yc o n t r o lm e t h o d a n dp u tf o r w a r du s i n gt h ep o w e rc u r v ea st h ef u z z yc o n t r o lr u l e sf o rt h ef i r s tt i m e 2 r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n g t h ec u s t o m e rp r o c e d u r e ，t h ei n t e l l i g e n ts o f t w a r e a n dt h ec o n t r o ls o f t w a r eo fs u b m i t t e d m a c h i n e f o rr e a l i z i n gt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l s a c c o r d i n gt oe o n t r o lp r i n c i d l ea n d t h ee s t a b l i s h e dc o n t r o lp r o j e c tw r i t e st h ec u s t o m e r p r o c e d u r e s o f t w a r ea n dt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls o f t w a r e w h i c hp r o v i d i n gf o r l e c u s t o m e rt h em i xi n f o r m a t i o ni n p u t a l a r mo u t p u ta n dt h ei n t e r f a c et os e a r c ht h e f o r n l e rd a t a f u r t h e r m o r e ，o f f e rt h ee x c e l l e n ti n s t r u m e n t st or e a l i z eo p t i m i z em i x w h e ni ti sw o r k i n g s u b m i t t e d m a c h i n ei st h en e c e s s a r ya s s i s t a n c ep a r to f m a i n m a c h i n e i sd e s i g n e df o ri m p l e m e n ti t sc o n t r 0 1i n s t r u c t i o n i ta l s om u s th a v e t h eh o m o l o g o u ss o f t w a r ew h i c hc a nr e a l i z ei t sf u n c t i o n 3 r e f o n n i n ga n dd e v e l o p i n g t h eh a r d w a r es y s t e mo fs u b m i t t e d - m a c h i n e s u b m i t t e d m a c h i n ei sm a d eu 口o fp l c ，d i r e c tc u r r e n tm o t o r ，s e n s o r sa n do t h e r e v e r yk i n do f p e r i p h e r a l se q u i p m e n t s t h ec o r ep a r t si sp l c w h i c hi st h ec e n t r u mo f c o n t a c tb e t w e e nm a i n m a c h i n ea n ds u b m i t t e d m a c h i n e a n da l s ot h ec o n t r o lc e n t e r o f t h es u b m i t t e dm a c h i n e t h o u g hp l ct h ei n f o r m a t i o nr e c e i v e db ys e n s o r ss e n dt o t 1 3 a i n m a c h i n e ( i n d u s t r yc o m p u t e r ) a n dt h ei n s t r u c t i o n sf r o m m a i n m a c h i n ed e l i v e rt o e x e c u t i n g m a c h i n es u c ha st h ed i r e c tc u r r e n tm o t o r ( a d j u s t i n gt h er o t o rs p e e m ，t h e p r o p o r t i o nr e g u l a t o r ( a d j u s t i n g t h ep r e s s u r eo f t h ec r e s tb o l t ) ，e l e c t r o m a g n e t i s mv a l v e 青岛科技人学研究生学位论文 e t c 4 c o m p l e t i n g t h e i n s t a l l i n ga n da d j u s t i n go f t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m a f t e r i n s t a l l e dh a r d w a r ea n d a c c o m p l i s h e dt h es o f t w a r e ，r u n si tt oa a j u s ti tt h a tt h es y s t e m c i r c u l a t e sn o r m a l 5 ，p a s s i n gal a r g eq u a n t i t yo fe x p e r i m e n t ，t h ed e v e l o p e di n t e l l i g e n tc o n t r o l s y s t e mo f m i n i a t u r em i x e ri sv a l i d a t e d k e yw o r d s ：i n t e r n a lm i x e r ，i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m ，p l c ， e x p e r i m e n t 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。 掘我所知，除了文中特勋 d r l 以标注和致谢的地方外，论文中1 i 包含其他人已经发表或撰写 过的研冗成果，也不包岔术获得 ( 选! 塑遗盏墓丝壶塞壁型虚盟 盥! 奎拦! 窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作r 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名刮铋矿签字几期乙。睁5 月形h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的舰定，有权保留并向凼家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校兀丁以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制于 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论义存解密后适用本授权书) 撇一：列彩 签宁r 期：西，舻阵多月缯1 学位论文作者毕业后去向： 浓薄 工作单位：_ 厶革红犬譬。 导帅签字：；l 专t 签字f 1 期：m y 年6 月i 6f 1 通讯地址：烘帝积枷匠北三环事璐隆暑 蜮j l 飞髻泓川 矿 邮编，呻卵 青岛科技人学研究生学位沦文 月u舌 社会的发展对橡胶制品尤其是轮胎的数量和质量的要求也越来越高，这就需要改 变现在橡胶混炼和橡胶制品加工的水平，对十混炼阶段来说，就是要提高混炼的生产 能力和质量，而要实现这一点，就必须提高生产装备的技术水平，改善生产装备包括 两个方面，是密炼机的设计水平，二是改善其控制水平，但就目前来看密炼机的设 计已经达到了相当高的水平，而控制系统设i t 存在较大不足。现有的控制方法使生产 自动化程度得到较大改善，而在实时控制和及时优化混炼工艺方面不足，对于胶料配 方和环境的变化不能做出及时的反应；还要使密炼机具有一定的“思考”的能力，对 于不同的胶料配方能够区别对待，这一方面要求密炼机能够积累经验，根据经验知识 进行预测和决策。而现有的模糊控制方法为实现这一控制效果提供了客观的条件。 模糊控制方法和经典控制方法有根本区别，而对于系统模型建模复杂的非线形 系统更有优势；密炼机的混炼过程也是个高度非线形化、难以描述的复杂系统，因 此可以采取模糊控制的方法，使其能利用所总结的模糊控制规则实时调整，实现混炼 优化。 根据橡胶混炼流变理论【l 】，功率曲线的形状能够反映混炼过程的情况，故被视为 该车混炼胶的“指纹”口。3 j 它可以与优化的功率曲线进行比较，来判断此车混炼胶的 好坏，以及如何进行改进。本课题研究的最终e l 的是优化密炼机的混炼工艺；橡胶混 炼是一个非常复杂的过程，列于不同的配方其控制方法可能有很大的差别，而对于同 种配方，不同混炼段的混炼质量也会有很大差别，因此，研制开发能适合于不同原 料配方，不同混炼工艺条件的控制系统是很有必要的，本课题就是基于此目的，预研 制能适应不同混炼条件的控制系统。 密炼机的智能化是密炼机未来的发展方向，因此，研究和实现密炼机智能化控制 系统具有很高的理论意义和使用价值，本课题拟将仿人控制技术应用于密炼机的控制 系统，研究探索将现代控制的先进方法应用于密炼机混炼过程控制的机理和方法，并 最终提高密炼机的智能化程度。 小型密炼机的智能控制系统及实验研究 第一章文献综述 1 1 密炼机智能控制的基础知识 1 1 1 密炼机智能控制的基本概念 1 、智能控制理论 所谓智能控制理论是指1 4 j ：一个系统具有从刷冈环境中自学习的能力，自动进行 信息处理以减少其不确定性，能规划，产生并能安全、可靠地执行控制作用，这就构 成了一个智能控制系统。智能控制系统与传统控制系统的主要差别就在于它们处理不 确定性和复杂性的能力方面。+ 个控制系统能否成功地克服不确定性和复杂性取决于 在该系统中智能水平的高低。 一般可以把智能控制系统功能概括为下面三点1 5 ： 学习功能：系统对一个过程或未知环境所提供的信息进行识别、记忆、学习并 利用积累的经验进一步改善系统的性能，这种功能同人的学习过程相类似。 适廊功能：这种适应能力包括更高层次的含义，除包括对输入输出自适应估计 外，还包括在故障情况下自修复等。 组织功能：对于复杂任务和分散的传感信息具有自组织和协调功能，使系统具 有主动性和灵活性。智能控制器可以在任务要求范围内进行自行决策，主动采取行动， 当出现多目标冲突时，在1 定限制下，各控制器可以在。定范围内自行解决。 智能控制系统的定义可以归纳如下： 一种控制方式或一个控制系统，如果能够有效的克服被控对象( 过程) 和环境所 具有的高度复杂性和不确定性，并且能够达到所期望的目标，那么称这种控制方式为 智能控制，称这样的控制系统为智能控制系统。 2 、密炼机智能控制 简单地说，密炼机的智能控制就是用微机智能控制系统控制密炼机的生产州。它 可将原来密炼机需要人工来解决和处理的问题，诸如填充系数、物料数量、投料顺序、 混炼工序、混炼质量、运行状态等问题，都可由微机的智能控制系统来承担。具体的 密炼机智能控制应包含下列内容1 2 , 3 1 ：( 1 ) 能判明当前生产i 艺规程是否最优，如果不 是最优，能指明最优17 艺条件：( 2 ) 利用混炼参数判明混炼胶质量是否合格，塑性值、 分散度等指标值是多少；( 3 ) 混炼胶质量的统计分析；( 4 ) 新配方混炼1 二艺规程制定的 数据库和方法库等。 青岛科技人学研究生学位沦文 目前密炼机虽然大都实现了自动化操作，大大减轻了工人的劳动强度。但因混炼 工艺各异，混炼胶质量波动很人，乩要等待检查后才能知道是甭合格，因此混炼胶质 量的无法保证。要解决这一问题，使密炼机能自行判断其混炼过程，使混炼工艺达到 最优，这就是智能密炼机能够发挥奇能之所在【6 1 。 1 1 2 密炼机智能t 空i t i 0 系统所用到的知识 一套密炼机智能控制系统一般山上位机和下位机组成，f | j 密炼机的智能控制是由 f ：位机的智能控制软件束实现，下位机是上位机下达的控制指令的执行者。在上位机 的智能控制软件中要用到自动控制、p i d 控制和智能控制方面的原理，在卜位机中要 用到自动控制、p i d 控制原理1 最9 1 ，并且密炼机智能控制的依据是密炼机进行混炼时 消耗的瞬时功率( 转子功率) ，下面分别加以介绍说明。 1 1 2 1 常规p id 控制 密炼机转子转速的调节是靠直流调速器来完成的，而赢流调速器调节的原理就是 常规p i d 控制原理，一个典型的闭环摔制系统如图1 - 2 所示，其中k l d ( s ) 表示控制器， k 2 g ( s ) 表示广义对象。 图1 一l 典型的闭环控制系统 垓系统的闭环传递函数为 c ( s )k ，d ( s ) k ，d ( s ) r ( ) 1 + k l d ( s ) k 2 ( s ) 式中k i 、d ( s ) 分别为控制器的静态、动态增益，k 2 、g ( s ) 分别为广义对象的静态、 动态增益。 在通常情况f ，人们期望给定指令r ( s ) 与被控参数x ( s ) 之间的传递函数 为1 。然而，信息的获取、传递以及执行命令等都需要有一个过程，即需要定的时 小型密炼机的智能控制系统及实验研究 间。这个过程可用传递函数可描述为 旦盟：。一一 r ( s ) 式中t 表示指令的传递时间，剐纯滞后时间。 大量的t 业过程，如化工、热工、轻工、冶炼、 用有纯 j - i j 滞后的二阶传递函数近似描述为 啪2 志 ( 1 2 ) 电站等铂：多生产过程特性，都可 ( 1 3 ) 式中t l 、t 2 分别为二阶对象的惯性时间常数，t 为纯滞后时f 刚。若使用闭环传递 函数满足理想的上述式，根据前_ 三个式子则可以得到： 啦，2 赢2 斟 由于( 1 e ”) 近似等于fs ，所以可得 啦，2 志2 5 旦( 1 + l 三+ 玉生。) k 2 f巧+ 疋s 一十疋 k p ( 1 + i 1 一+ t 。s ) s 常用隅为比例增益；耻警 t l 为积分时间常数；t 1 = t 1 + t 2 忙器为微分时问胤 f 1 - 4 1 f 1 5 1 青岛科技大学研究生学位论文 由此口j 见控制器的输出为：u ( s ) 2 k p ( 1 + 去+ t 。s ) e ( s ) ( 1 - 6 ) 11 2 2 对常规p l d 控制的分析 在传统的p i d 控制中，存在着比例、积分和微分三种控制作用1 0 , 1 1 。比例控制的 优点是：误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝着减小误差方向变 化，控制作用的强弱取决于比例系数k r 。比例控制的缺点是对于具有白平衡性的被 控对象存在静差。加大可以减小静差，但k p 过大时，会导致动态性能变坏，甚至会 使闭环系统不稳定。 积分的优点是：它能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差。但它的不足之处 在于积分作用有滞后的特性，积分摔制作用太强会使控制系统的动态性能变差，以致 于使系统不稳定。 微分控制作用的优点是：它能对误差进行微分，敏感出误差的变化趋势，增大微 分控制作用可加快系统响应，使超调量减少，增加系统稳定性。它的缺点是对于干扰 l 刊样敏感，使系统抗干扰能力降低。 根据不同的被控对象适当的整定p i d 的三个参数，可以获得满意的控制效果。实 践证明，这种整定参数的过程，实际上是对比例、积分和微分三部分控制作用的折中。 实际上使用这种整定方法不仅费时问，而且参数间相互影响，往往也难收到最优效果。 剖析常舰的p i d 控制可以发现，这种控制无法根本性解决稳定性和准确性之间的矛 盾，加大控制作用町使误差减小，准确性可以提高，但是降低了稳定性。反之，为了 保证稳定性，限制控制作用，这样降低了控制的准确性。 1 1 2 3 智能控制系统的基本结构 这种结构形式把智能控制系统分为智能控制器和外部环境两大部分1 5 1 。 1 智能控制器：m 智能信息识别和处理、数据库、控制决策、认知学习、控制 知识库、评价机构六部分组成。 2 外部环境：由广义被控对象、传感器和执行器组成，还包括外部各种干扰等 不确定因素。 小型密炼机的智能控制系统及实验研究 他们的结构如图1 2 所示： 这种结构与传统控制结构丰要差别在r 控制器结构复杂性，功能也比原传统控制 结构的功能增强了，目的是解决外部环境的不确定性。 仿人的智能控制论1 5 1 是产生在自动控制论和智能控制理论的基础上的，采用空i 刈 技术、计算机技术及人一：智能技术的一门先进的控制理论【5 ”j 。传统控制是经典控制 和现代控制理论的统称，他们的主要特征是基于模型的控制，即为了实现控制，必须 建立模型，由于被控对象越来越复杂，其主要表现在高度的非线性、高噪声干扰、动 态突变性以及分散的传感元件与执行元件，分层和分散的决策机构，多时间尺度，复 杂的信息结构等，这些复杂的控制系统是很难或不能用数学模型来建立，也很难由传 统控制米实现的，于是，把人j 智能的方法引入控制系统。 数据库卜一认识学习卜_ 一控制知识库 fi 笔纂息h 跏t 构h 溅 f i 1 传感器执行器 1， l 广义对象1 1 图1 2 智能控制系统的结构 f i g u r e l 一2t h es tr u c t u r eo fi n t e l1 1 9 e n tc o n tr o ls y s t e m 它们两者之问的主要区别存于它们控制不确定性和复杂性及达到高的控制性能 的能力方面。智能控制用拟人化的方式表达，即智能控制系统具有拟人的智能或仿人 的智能。 人们期望输出快、稳、准地达到给定值，经典控制中的常规p i d 控制，采耿了比 例、积分、微分三种控制方式的线性组合方式，通过选择合适的k p 、k l 、k d 三个参 数，可以获得比较满意的响应特性，这种控制方式的主要缺点是难以解决稳定性和准 确性之问的矛盾，主要是因为动态的输入和不确定性。 青岛科技大学研究生学位论文 二阶控制系统的响应动态过程可分如下几个阶段 3 a , 7j ，并可用图1 3 表示 图1 3 二阶系统的单位阶跃响应曲线 1 o a 段：这一段为系统在控制信号作用下，由静态到动态再向稳态转变的关 键阶段。由于系统具有惯性，决定了这一段曲线只能呈斜线方向上升。为了获得更好 的控制特性，在o a 段应该采取变增益控制。若采用固定比例控制，当输出达到稳态 时，由于本身惯性所致，系统输出不会保持住稳态值而势必超调。为了使系统输出上 升快又不至于超调量过大，一个自然而又合理的想法是：当系统输出上升接近稳念而 存在误差时，比例控制作用要降低，使系统借助于愤性继续上升，既有利于减小超调 量，而又不至j 二影响上升时间。 2 a b 段：当系统已超过了稳态值，向误差增大的方向变化，到b 点时间误差 达到了最大值。在a b 段，控制作用应该尽力压低超调，除了采用比例控制外，应加 积分控制作用，以便通过对误差积分而强化控制作用，使系统输出尽快回到稳定值。 3 b c 段：在这段时问早，误差开始减小，系统在控制作用卜已呈现向稳态变化 的趋势。这时，如果再继续积分控制作用，势必造成控制作用太强，而出现系统回调， 因而应不加积分控制作用。 4 c d 段：系统输出减小，误差朝向反方向变化，并达到最大值( 正) 。此种情 况，可采用p l 控制。 5 d e 段：系统出现误差逐渐减少的趋势，控制作用不宜太强，否则会出现再次 超调，显然这次不应施加积分控制作用。后面儿段类似，不在重复叙述。 由上述特性分析可以看出，控制系统的动态过程是不断变化的，为了获得更好的 控制性能，必须根据控制系统的动态特性来渊节控制器的参数或控制方案，做到智能 的仿人控制系统。例如本控制系统的电机驱动控制和温度控制部分的控制就是利用了 智能的仿人控制方式。 小型密炼机的智能控制系统及实验研究 1 1 2 4 仿人智能控制行为的特征变量 为了有效的模拟人的智能控制行为，并应用计算机实现智能控制，必须通过一些 变量来描述系统的动态特征，表征其动态行为1 5 , 1 2 1 。 在智能控制罩面，通常选用误差e 和误差变化e 作为模糊控制器的输入变量， 通常模糊控制器的输出i _ 1 可以表示为： u = f ( e ，a e )( 1 7 ) 如果只是根据误差e 的大小进行控制，对于一些复杂的系统，很难收到满意的控 制效果。例如，当被控系统处于误差较大，而又向减少误差方向快速变化时，如果只 根据误差较大而不考虑误差迅速变化的因素，必然要加大控制量，使系统尽快消除大 的误差，这样的控制势必导致调节过头而又出现反向误差的不良后果。 如果同时采取两个变量e 和e 进行控制时，就可以避免上述的盲目性，根据模 糊控制的基本思想这是= = f i 难理解的，因此可以得到一个这样的结论：+ 个由人工控制 的复杂控制系统，在控制过程中，人对被控系统的状态、动态特征及行为了解的越多， 控制的效果就会越好。 若用计算机控制一个动态系统，如何根据输入输出的信息来识别被控系统所处的 状态、动态特征及行为，并使计算机借助于这些特征变量更好的实现仿人智能控制， 是仿人智能控制的一个重要的问题。下面就从e 和e 这两个基本的模糊控制变量m 发，引出其他特征，以便能够从动态过程中获得更多的特征信息，进而利用这些信息 史好的设计仿人智能控制器。 1 e a e 误差e 和误差变化e 之积构成了一个新的描述系统动态过程的特征变量，利用 该特征变量的取值是否大于零，可以描述系统动态过程误差变化的趋势。令e 。表示 离散化的当i j 采样时刻误差值，e n 1 和e 。- 2 分别表示前一个和前两个采样时刻的误差 值，则有 a e n = e n e 1 1 1 ；( 1 - 8 ) a e n - l = e n - 1 一e n 2 ；( 1 9 ) 如图1 - 4 所示的动态系统响应曲线的不i 司阶段，特征变量e 。a e 。的耿值符号由 青岛科技大学研究生学位论文 表1 1 给出： 日) 一一 一牮：7 一一 ， 一 图1 4 动态过程曲线 表卜l 特征变量的符号变化 t a b l e1 1t h es y m b e l c h a n g eo fc h a r a c t e r i s t icv ar ia b l es o a 段a b 段b c 段c d 段d e 段 e n o o a e n 0 o e n a e n o o o 当e 。a e 。 o 时，如a b 段和c d 段，表明系统的动态过程正向着误差增大的