（计算机应用技术专业论文）电弧炉温度及电流平衡智能控制系统.pdf

摘要 本论文首先介绍了大功率电弧炉控制系统的现状及发展趋势，分 析了本项目的重要性。 针对电弧炉冶炼生产过程多变量耦合、时变非线性、大时延和强 干扰等特点，概要介绍了几种智能控制理论，在此基础上引入控制理 论和技术构成三级控制模式进程级、单元级和驱动级；由温度控 制外环和电流平衡控制内环的双环路结构来具体实现电弧炉温度和 电流平衡的智能集成控制；采用模糊专家、自适应神经网络、优化决 策等多项智能控制理论和技术，建立满足生产工艺要求的温度进程和 电流进程；由专家模糊解耦智能控制器来实现三个电极电流平衡控 制；控制系统有效保证了电弧炉三相电流的平衡和生产工艺对温度的 需求。 基于上述方案的确立，确定了装置的硬、软件设计方案。研制出 以工控机为中心与模块化外设的一体化的硬件控制基础，重点阐述了 智能系统软件的软件实现及其关键技术。 论文还给出了系统的实际运行结果，结果表明系统实现了对整个 生产过程的智能自动控制，提高了冶炼生产的自动化程度并保证了冶 炼生产工艺的稳定性，具有广泛的应用前景。 关键词：电弧炉，模糊控制，专家控制，神经网络，优化决策 a b s t r a c t t h i sp a p e r6 r s ti n t r o d u c e st h ea c t u l i t ya n dt h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o n o fl a r g e p o w e re a f ss m e l tp r o c e d u r e b e s i d e si ta n a l y s e st h ei m p o r t a n c e o f t h i si t e m a i m e da tt h ec h a r a c t e r so fl a r g e - p o w e re a f ss m e l tp m c e d u r e ，m e p a p e rp r e s e n t sa ni n t e l l i g e n c ec o n t r o ls y s t e m ，i n t r o d u c e sc o n t r o lt h e o r y a n dt e c h n o l o g ya n da d o p t st 1 1 r e es t e p sc o n t r o lm o d e ：p r o c e e d i n gs t a g e ， c o n t r o ls t a g e ，d r i v e rs t a g e t h ec o n t r o ls y s t e mi sm a d eo fd o u b l ec l o s e d l o o p s ：t h ei n n e rc u r r e n tl o o pa n dt h eo u t e rt e m p e r a t u r el o o p ，a i l ds a t i s f i e s m ee a f s t e m p e r a t u r e n e e da n dt h r e e p h a s e c u r r e n tb a l a n c e t e m p e r a t u r el o o pa d o p t si n t e l l 噜e n c ec o m m it e c h n o l o g y ，s u c ha sf u z z y c o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r k ，e x p e r tc o n t r o l ；a n dc u r r e n tl o o pi n t r o d u c e s e x p e r tc o u p l i n gc o n t r o la n df h z z yc o n 仃o lo ft h r e ep h a s ec u r r e n t t h i s s y s t e ma s s l l r e st l l r e ep h a s ec u r r e n tb a l a j l c ea i l dt e m p e r a t u r es t a b i l i z a t i o n b a s e do nt h e s es c h e m ee s t a b l i s h e d m eh a r d w a r ea n ds o f h v a r e d e s i g ns c h e m eo fe f aa r ed e t e n n i n e d as y s t e mw h i c hi sm a d eu po f p e r i p h e r ym o d u l e sa i l df o c u s e so ni n d u s t yc o n t r o lc o m p u t e ri sf o u n d t h i sp 印e re l a b o r a t e dt h ed e s i g no ft h es y s t e m ss o f h a r ea n di t sk e y t e c i l i l i c s p a p e ra l s op r e s e n t st h ea c t u a lo p e r a t i o nr e s u l to ft h ei n s t a l l a t i o n d e s i g n e du s i n g s c h e m e s a b o v e e x p e r i m e n t r e s u l ts h o w st h a t t h i s i i l s t a l l a t i o nh a s 口e a ts l i p e 订o r i t ) r ，h a v ev a s t 印p l i c a t i o np m s p e c t k e yw o r d s ：e f a n e u r a l n i z z yc o n t r o l ，e x p e r tc o n 仃o l ， n e m o r k ， o p t i m u md e c i s i o n - m a k i n g 原创性声明 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工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：j ! ! 兰塑 日期：丝兰年l 月土日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文： 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：衄导师签名 o f 日期：兰竺!年二月当l 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 大功率电弧炉控制系统的现状 在冶金行业中，电弧炉通常是由一台特种变压器的三相交流电供电，三相交 流电流通过三相上下移动的电极直接加热炉内金属，每个电极和金属炉料之间产 生电弧。冶炼金属是一个复杂的物理化学反应过程，冶炼过程千变万化，在电 弧炉冶炼过程中，三相交流电弧炉的电力负载是不稳定、不对称的0 1 。由于电弧 燃烧不稳定，常常发生断弧、短路及料块移动现象，因而造成负载严重不对称：在 电炉运行时，电极调节器调整不当或其它人为的原因也会造成电弧炉三相电流不 对称，因此电弧炉三相电流平衡和温度的稳定很难控制“1 。 电热前斥 图l l 设备配置图 目前，电弧炉三相电极的电控装置大都是模拟手动控制装置，其控制手段落 后，冶炼过程完全依靠工人手动调节，电极控制不稳，劳动强度大，并且由于工人 的经验不同，冶炼的效果分散性很大：模拟调节器的参数设定后，在冶炼中不易修 改，在冶炼的不同阶段，控制效果很难一致，系统容易振荡，增加电极的消耗，不能 保证三相电流的平衡输入，产品质量不稳定：冶炼过程的信息不能及时准确地记 录，从而难以优化冶炼工艺和提高管理水平。 1 2 项目的目的和意义 大功率电弧炉已经成为冶金行业中广泛应用的大型设备之一，更是有色金属 冶炼生产中必不可少的关键装置，它具有热利用率高、烟气量小、容量大和温升 高等优点。本项目已经成功应用于韶关冶炼厂的铅锌冶炼生产线，该厂具备每年 中南大学硕士学位论文第一章绪论 2 0 万吨的铅锌生产能力，大功率电弧炉即铅锌冶炼电热前床的主要作用是： ( 1 ) 作为铅渣熔融物的分离器，促进渣、铅良好分离，减低炉渣的含铅量； ( 2 ) 保证送往烟化炉的炉渣有足够的过热温度和良好的流动性； ( 3 ) 作为烟化炉所需熔融炉渣的储存器，解决烟化炉周期性作业与鼓风 炉间隔放渣之间的矛盾。 因此对大功率电弧炉即铅锌冶炼电热前床进行合理的温度控制对冶炼生 产具有十分重要的意义。 大功率电弧炉既是冶炼生产过程中的关键装置，又是消耗大量电能的主要 设备，本项目施控的大功率电弧炉工作容量可达1 6 0 0 千伏安以上，最大工作 电流为5 2 0 0 安培，如此大的用电量直接影响着冶炼成本的高低，同时一旦三 相电流的不平衡会增加变压器功率损耗，直接危害变压器的运行安全和寿命。 因此必须对电弧炉电流控制系统进行技术改造，采用先进技术实现电流平衡控 制和降低能耗。综合以上两个方面表明本项目电弧炉温度及电流平衡智能控制 系统具有极大的开发研究潜力。 本项目电弧炉温度及电极电流平衡智能控制系统投入之前，韶关冶炼厂的 大功率电弧炉即铅锌冶炼电热前床采用人工操作的手段，具体方法是现场工人 根据工作经验对生产状况进行判断，随电孤炉炉内温度的变化以及目测到的电 弧炉电极位置的变化，及时操作电机拖动电极，调节电极插入炉渣的深度，从 而改变电极的通电电流，使炉内温度趋于满足工艺要求。但人工操作有以下难 以克服的缺陷： ( 1 ) 工人必须守在现场不断根据渣型、实际炉温、电弧炉电极位置以及 电极电流的变化等情况及时操作电机来调整电极电流，工人的劳动强度很大， 现场的恶劣环境对工人的身心健康危害很大： ( 2 ) 冶炼过程完全依靠工人手动调节，电极控制不稳，并且由于工人的经 验不同，不能保证三相电流的平衡输入，冶炼的效果分散性很大：控制效果很难 一致，产品质量不稳定： ( 3 ) 由于三相电弧炉电极独立调节，人为因素难以保证交流电弧炉三相 电极电流的平衡，导致变压器的供电效率低下，额外电能损耗增加，同时增加 电极的消耗，缩短了变压器的使用寿命： ( 4 ) 炉温起伏很大难以满足工艺对温度要求，当炉温较高时，铅液沸腾 造成铅的散失增加，炉渣的铅含量增加，导致铅渣分离效果不好；若炉温过高 时甚至会引燃电弧炉内的粉尘，炉温飙升对电弧炉炉体结构的安全造成危害； 升高炉温时电能损耗也相应增加；温度过低时会使炉内结壳，影响渣铅的分离 或减小炉膛的有效容量甚至结死铅虹吸管，同时铅液和炉渣的粘滞度增加，不 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 利于下一道工序的正常运行； ( 5 ) 冶炼过程的信息不能及时准确地记录，从而难以优化冶炼工艺和提高 管理水平。 电弧炉即电热前床的进渣是由密闭鼓风炉放出的渣和铅液熔融物构成，随 着物料和生产工艺的不同，炉渣的成分、酸碱度、粘度、熔点和比重等指标会 发生变化，其温度也在1 2 5 0 1 3 5 0 之间变化，以上情况给电热前床的温度 和电极电流平衡控制带来了极不稳定的干扰因素，常规的单一自动控制方法很 难满足工程要求并适应现场生产的变化，因此有必要提出本项目电弧炉温度及 电极电流平衡智能控制系统，以便对现场情况的变化进行分析、综合并采用多 技术智能控制手段提高生产的自动化程度，减小工人的劳动强度，节能降耗并 提高产品质量和产量，促进企业的现代化步伐，提高企业的市场竞争能力。 1 3 任务来源 大功率电弧炉温度及电流平衡智能控制系统是韶关冶炼厂技改攻关项目。 其目的是提高电弧炉的稳定性和工作效率。 1 4 国内、外研究状况及发展趋势 电弧炉冶炼是一个复杂的物理化学过程，随机干扰因素的影响严重，冶炼状 况千变万化，冶炼工艺和性能要求不尽相同，因此对温度和电极控制一直是困扰 冶炼生产的难题。根据掌握的文献资料和湖南省科学技术信息研究所提供的查新 报告，目前国内外研究及应用的进展如下： 炉温是具有典型大时延特征的控制对象，国内外学者已经对其控制理论展开 了大量的研究工作。1 2 “”1 ，从简单的通断控制到简单的p i d 控制，从现代控制理 论出发的s m i t h 预估控制器到方兴未艾的智能控制方法，尤其是近年来提出的 把专家控制、模糊控制、神经网络控制等智能控制理论相结合而形成了一系列的 智能控制方法。但是在实际的工程应用设计方面仍较为落后，大大影响了控制效 果，目前在国内的电弧炉冶金行业中，对整个冶炼过程的温度控制仍处空白，温 度仅仅作为冶炼过程的参考对象，通常通过变压器三相平衡电流的额定值的设 定，来人为的干预温度的变化，很难保证生产工艺对温度的需求，严重制约着生 产工艺和产品质量的提高；在国外德国、英国、日本虽然对温度控制有所研究， 但冶炼是一个复杂的过程，与原矿、生产工艺、技术整体水平等有着很大的关系， 不可能照本宣科“；国内外学者对电弧炉各个时期生产工艺对温度的需求1 ，以 及温度对三相电极电流的依赖关系等方面的有关研究工作尚未达到工程实用化 中南大学硕士学位论文第一章 绪论 阶段。 国内外学者对电极的升降自动控制曾做了大量的工作，以期望实现低能耗和 高功率因数的目标。1 ”“”。1 9 7 0 年g o s i e w s k i 等人提出一种电极动态最优控制， 1 9 7 2 年w h e e l e r 等人提出电极动态功率控制，1 9 7 3 年n i c h o l s o n 提出电极阻抗 在线控制，1 9 8 8 年顾兴源等人提出电极调节系统参数辨识的方法，1 9 9 0 年张殿 华等人提出电极调节系统参数辨识和自校正控制等。上述控制方案要采用复杂的 数学模型；电弧炉电极控制是多变量系统，各被控量之间往往存在某种程度的关 联，它将妨碍各变量的单独控制作用，通常可以采用解耦方法进行控制，不少学 者己提出许多解耦算法如：状态反馈解耦，动态前置补偿解耦等。这些传统的解 耦方法往往也需要建立精确的数学模型，因而在实际应用中将遇到困难。而基于 神经网络的解耦方法，当变量数增加时，为了有效解耦，其神经网络输入输出节 点及隐含节点数将大大增加，训练神经网络将变得十分困难，因此该方法很难用 于实时控制，另一种基于模糊理论的控制方法，进行单变量温度控制时，采用复 合模糊控制算法，能有效地克服纯滞后和参数变化对系统的影响，取得了较好的 控制效果，而将模糊控制方法用于多变量控制时，需要采用分层多规则控制，最 终得出的查询表较粗糙，因此控制效果不够理想。 对于电弧炉三相电极控制，国内电控装置大都是模拟手动控制装置或者简单 的单片机、可编程逻辑控制器组成，受到控制器速度及内存的限制，很难应用复 杂的控制算法及保证控制的实时性。 为此，引入先进的控制理论和技术，应用模糊专家、自适应神经网络、优化 决策等多项智能控制理论和技术“”2 “2 “，建立满足生产工艺要求的温度进程和电 流进程；由智能控制器来实现三个电极电流平衡控制；由温度控制外环和电流平 衡控制内环的双环路结构来具体实现电弧炉濡度和电流平衡的自动控制，成为电 弧炉系统的发展趋势。 4 中南大学硕士学位论文第二章智能控制理论 第二章智能控制理论 本章主要针对电弧炉控制系统的特点及要求，简单介绍了控制算法的一些理 论基础，如：非线形系统解耦、智能控制算法( 模糊控制、专家控制、神经网络 控制等) 及其一般结构，并对智能控制实现方法作了简单的介绍。这主要是对系 统设计中很重要的部分控制算法选择及实现所作的必要的准备。 2 1 智能控制概述 自动控制理论发展至今已有1 0 0 多年的历史。随着各个阶段的工业和现代科 学技术飞速发展，各个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性 与适应能力的要求越来越高，应用范围也更加广泛。控制理论发展史经历三个阶 段：经典控制理论阶段；现代控制理论阶段；智能控制理论阶段。2 “2 2 “。 本系统采用智能控制策略。下面介绍智能控制的有关问题。 2 1 1 智能控制的定义 智能控制是一类无需人的干预就能够独立地驱动智能机器实现其目标的自 动控制。或者说，智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程。许多复杂 的系统，难以建立有效的数学模型和用常规控制理论进行定量计算和分析，而必 须采用定量数学解析法与基于知识的定性方法的混合控制方式。随着人工智能和 计算机技术的发展，己可能把自动控制和人工智能以及系统科学的某些分支结合 起来，建立一种适用于复杂系统的控制理论和技术。 智能控制的核心在高层控制，即组织级。高层控制的任务在于对实际环境或 过程进行组织，即决策和规划，实现广义问题求解。它是一门边缘交叉学科，涉 及更多的相关学科，需要各相关学科的配合与支持。 智能控制是一个新兴的研究领域。无论在理论上或实践上它还很不成熟、很 不完善，需要进一步探索与开发。 2 1 2 智能控制系统的类型1 1 i 多级递阶智能控制； 2 基于知识的专家控制 中南大学硕士学位论文第二章智能控制理论 3 基于模糊逻辑的智能控制一模糊控制； 4 基于神经网络的智能控制一神经控制： 5 基于规则的仿人智能控制； 6 基于模式识别的智能控制： 7 多模变结构智能控制； 8 学习控制和自学习控制； 9 基于可拓逻辑的智能控制一可拓控制； 1 0 基于混沌理论的智能控制一混沌控制。 2 2 神经网络系统 神经网络系统是由大量的、同时也是很简单的处理单元( 或称神经元) 广泛 地互相连接而形成的复杂网络系统。它反映了人脑功能的许多基本特性，但它并 不是人脑神经网络系统的真实写照，而只是对其作某种简化、抽象和模拟，这也 是现实情况( 当前对脑神经和其智能机理的研究水平) 所能做到的，是目前神经 网络研究的基本出发点。一般认为，神经网络系统是一个高度复杂的非线性动力 学系统，虽然每个神经元的结构和功能十分简单，但由大量神经元构成的神经网 络的行为却是丰富多彩和十分复杂的。如何把这些神经元构成一个复杂的具有多 方面功能的系统是神经网络理论要研究的问题o 。 神经网络系统具有一般非线性系统的共性，更主要的是它还具有自己的特 点，比如高维性、神经元之间的广泛互联性以及自适应性或自组织性等。在神经 网络中发生的动力学过程有两类：一类称之为快过程；另一类称之为慢过程。所 谓快过程，即是神经网络的计算过程，它是神经网络的活跃状态的模式转变过程。 神经网络在输入的影响下进入一定的状态，由于神经元之间相互联系以及神经元 本身的动力学性质，这种外界刺激的兴奋模式会迅速地演变而进入平衡状态。这 样，具有特定结构的神经网络就可以定义一类模式变换，而计算过程就是通过这 类模式变换而实现的。神经网络只有通过学习才能逐步具有上述的模式变换的能 力，神经网络的学习过程即为慢过程。 图2 1 表示了一个简单的神经网络，其中每个小圆圈表示一个神经元，各个 神经元之间通过相互连接形成一个网络拓扑，这个网络拓扑的形式称为神经网络 的互连模式。不同的神经网络模型对神经网络的结果和互连模式都有一定的要求 和限制，不如允许它们是多层次的、是全互连的等等。神经网络以外的部分( 即 虚线方框以外的部分) 可统称为神经网络的环境。神经网络从其所处的环境中接 收信息，对信息进行加工处理之后又返回( 或作用) 到其所处的环境中去。 6 中南大学硕士学位论文第二章智能控制理论 各个神经元之间的连接并不只是一个单纯的传送信号的通道，而是在每对神 经元之间的连接上有一个加权系数，这个加权系数可以加强或减弱上一个神经元 的输出对下一个神经元的刺激，这个加权系数通常成为权值。 输 出 图2 一l 神经网络的一般结构 在神经网络中，修改权值的规则称为学习算法，这也就是说权值并非固定不 变的。相反地，这些权值可以根据经验或学习来改变。这样，系统就可产生所谓 的“进化”。同样的，处理单元表示什么也是可以变化的，因而也就可以用任何 合适的物质来实现。 一个神经网络系统中有许多处理单元，每个处理单元的具体操作都是从与其 相邻的其它单元中接受输入，然后产生输出送到与其相邻的单元中去。神经网络 的处理单元可以分为三种类型：输入单元、输出单元和隐含单元。输入单元是从 外界环境接收信息，输出单元则给出神经网络系统对外界环境的作用。这两种处 理单元与外界都有直接的联系。隐含单元则处于神经网络之中，它不与外界环境 产生直接的联系。它从网络内部接受输入信息，所产生地输出则只作用于神经网 络系统的其它处理单元。隐含单元在神经网络中起着极为重要的作用。 神经网络中由许多处理单元互连而形成的互连模式反映了神经网络的结构， 它决定着这个网络的能力。在通常情况下，所有来自其它邻近单元的输出乘上相 应的权值，再相加起来而得到所有输入的组合再送入处理单元中。正的权值表示 激励输入，而负的权值表示抑制输入。因而用权矩阵可以表达神经网络的互连结 构。 2 21 多层前向网络 目前多层前向神经网络在复杂的工业过程控制得到了实际的应用“，这得益 于前向网络具有很好的函数逼近能力，因而通过对训练样本的学习，能很好地反 7 中南大学硕士学位论文第二章智能控制理论 映出对象的输入与输出之间复杂的非线性关系，其学习算法为b p 算法。”。 a n n 模型为前向多层网络，分别为输入层，隐含层和输出层，设该网络共有 + 1 层，第l 层为输入层，第层为输出层，f = 2 ，层为隐含层。第f 层的 神经元个数为，送入网络的训练样本总个数为m ，训练样本号用p 表示。第 ，层第，个神经元的输出变量为d ：表示，由第，层的第个神经元到第，+ 1 层的 第f 个神经元的权系数用形! 表示，则各神经元的输入输出关系为： d = “，】 ( 2 1 ) n ，”= 嘭“d 笋一研“” 式中，= 1 ，2 ，；对输入层，o 砻即为输入变量x ，；对输出层，o 箸“即为 输出变量儿：g “”为第，+ 1 层第，个神经元阈值。若令 一只“= 嚷，d 茹。= l ( 2 2 ) 则式( 2 一1 ) 可表示为： o = 工，曙“， ，”= 啄”o 上式中，工，为网络节点函数 倒】_ 雨未而，d 。 这是一个s 型函数。 2 2 2b p 算法 ( 2 3 ) ( 2 4 ) b p 算法的学习过程由正向传播和反向传播组成，正向传播过程输入样本从输 入层经隐含层处理后传向输出层，每一层神经元的状态只影响下一层神经元的状 态。如果在输出层不能得到期望输出d ，则转入反向传播，将误差信号沿原连 接通路返回，通过修正各神经元的权系数，使得误差信号最小。定义误差函数e 。 为期望输出d ，与实际输出y 。之间误差的平方和： 1 “1 虬+ e ，= 2 = ( d 厂) 2 ( 2 5 ) t = lj = l 我们希望改变网络的各个权系数彬! “，使得e 。尽可能减小，从而使实际输出 值尽量逼近期望输出值。这实际上是求误差函数的极小值问题，可采用最陡下降 算法，使权系数沿着误差函数的负梯度方向改变。权系数彬? 的调整量可按下式 中南大学硕士学位论文 第二章智能控制理论 计算 圳一口斋 ，= 1 ，2 ， f _ l ，2 ， ( 2 6 ) = l ，2 ，f + l 式中口为学习步幅，随学习过程而变化。斋可表示为下列复合微分 a e p 一。e p8 i a 啄”a ，”a 啄” 由式( 2 3 ) 易得： 令 一参 将式( 2 7 ) 、( 2 9 ) 代入式( 2 6 ) 得 ，孵。) _ 面，o o 笋 蝶毛= 哪函，+ ，孵” ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一1 0 一a ) ( 2 一1 0 - b ) d 窘己在正向传播过程中计算得到，现进一步求取占，“。再一次采用复合微 分式由式( 2 9 ) 可得： “一南等 江 由式( 2 4 ) 易得上式中第二项为： 丝芝：里丛! 二型：! 甜 ，。 式( 2 _ 中右边第一项南应分为两种情况求取 c u 二 对于输出层，= l o 1 = ，由式( 2 5 ) 可得 9 ( 2 一1 2 ) ( 2 一1 3 ) u d = 型孵 得d式入 代 ” 叶 蹦 械 一 幻 叫 h = (堡敞 中南大学硕士学位论文第二章智能控制理论 “：堕芈型：生掣 ( 2 - o 10 对于其它中间隐含层( ，= 1 ，2 ，e 一1 ) ，有 羔：芝嘉黑：洳肚1 ) ) 哕 扣台a ，譬2 a d 鲁、v 。“ 一 将式( 2 一1 2 ) 和( 2 1 5 ) 代入式( 2 一1 1 ) 得： ：( 笠( 也卅1 ) ) w 川) 型粤里坦 ( 2 - 1 6 ) = l 10 可见，计算本层占，7 必需用到前一层的占，“”。因此，误差函数的求解是一个始 于输出层的反向传播递归过程，即通过误差函数反向传播来修正权系数。经过多 个样本的反复训练，并朝减小误差方向修正权系数，最后得到满意的结果。 2 3 模糊理论 23 1 模糊理论概述 模糊理论的提出是为描述与处理广泛存在的不精确、模糊的事件和概念提供 相应的理论工具。该理论经过不断发展，目前形成了有关纯粹数学和应用数学的 众多分支，包括图论、系统决策、自动控制、模式识别等，特别是基于模糊理论 的模糊逻辑系统、模糊神经网络等，已经成为目前理论与应用研究的热点领域。 模糊理论、模糊逻辑系统以及模糊神经网络为解决复杂系统的故障诊断问题提供 了重要的理论方法和实现工具。 ( 1 ) 从属函数与模糊子集及其运算 普通集合论规定：论域中的元素要么属于某个子集，要么不属于，两者必居 其一。所谓模糊子集，就是指集合中每个元素对子集有一个刻划其从属程度的数。 两个模糊子集之间的运算，实际上就是对元素间的从属度运算 a2 巾( 空集) 。( x ) = 0 a2b 心( x ) = 如( x ) a b ( x ) 日( x ) 爿( 补) j ( x ) = l 一。( x ) a ub ( 并) 铮。( x ) a n b ( 交) 。( x ) = m a x ( 月( x ) ，口( x ) ) = m i n ( 几( x ) ，如( x ) ) 1 0 ( 2 一1 7 ) ( 2 一1 8 ) ( 2 一1 9 ) ( 2 2 0 ) = 。( x ) u 。( x ) ( 2 2 1 ) = 。( x ) n 。( x ) ( 2 2 2 ) 中南大学硕士学位论文第二章智能控制理论 ( 2 ) 五水平截集 五水平截集是在模糊集合与普通集合相互转化中的一个很重要的概念。 所谓模糊集合a 的a 水平截集的定义为：设给定模糊集合a ，对任意 o ，1 闭区间实数a ( 记作五 o ，1 ) ，称普通集合a 。= ( x x u ：以( x ) 五) 为模糊集 合a 的五水平截集。 对取定一个a 的水平截集a 。，其特征函数可定为 3 瞄甏暑冲 z 。， 这样实现了由从属函数到特征函数的转换。 ( 3 ) 模糊综合评判 设y 是评判的对象构成的集合，称为对象集。x 是由这些对象的指标( 因素) 构成的集合，称为因素集，有 x = ( x 1 ，x2 ，x 。)y = ( y l ，y2 ，y 。) ( 2 2 4 ) 对象集y 中的每个元素与因素集x 中的各元素之间构成模糊关系r r = r ( 2 2 5 ) 按评判目标对因素集x 的各元素加权，权向量为 w = w l ，w2 ，w 。) ( 2 2 6 ) 则b = w 。r = ( b i ，b2 ，b 。) ( 2 2 7 ) 称为就所选m 个指标对己知n 个对象的综合评判，m a x ( b ，b ：，b 。) = b 。对应的y 。为相对最优越对象。其中盯为算子。 2 3 2 模糊逻辑系统 模糊逻辑系统是指基于模糊概念和模糊逻辑而建立、能够处理模糊信息的系 统，其一般结构如下图2 2 。它通常由模糊化单元、模糊规则库、模糊推理机 和反模糊化单元四个部分组成。设模糊逻辑系统的输入信号x 为论域u 上的点， 输出信号y 为论域v 上的点，x ，y 均为确定的非模糊信息。模糊逻辑系统的处 理对象是模糊信息，所以输入信号x 需要通过模糊化单元变换成u 上的模糊集合： 模糊逻辑系统最终的输出应是明确的信息，所以需要由反模糊化单元将论域v 上 的模糊集合转化成v 的确定信号y 。 中南大学硕士学位论文第二章智能控制理论 图2 2 模糊逻辑系统的一般结构 模糊逻辑系统具有许多优点。其输入、输出均为实型变量，可以用测量变量 作为模糊逻辑系统的输入，并将其输出变换为相应的工程量：其模糊规则库的基 本格式为“i f t h e n ”型规则，适合于描述专家经验知识：模糊化单元、模糊 推理机和反模糊化单元的设计有较强的自由度，对于特定的问题，可以通过比较、 学习过程确定一个最佳的模糊逻辑系统，使之能有效地利用数据和语言两类信 息。 模糊逻辑系统实质是一个从论域u 到论域v 的非线性映射，只要适当选择隶 属函数式、模糊化和反模糊化算法以及模糊推理算法，模糊逻辑系统可以在任 意精度上逼近某个给定的非线性函数。它的独特之处是能够充分有效地利用语言 和知识信息。模糊规则库是模糊逻辑系统的核心部分，它是由一组模糊推理规 则组成的。而模糊规则的获取是建立模糊逻辑系统的关键，也是主要的瓶颈所在。 一般而言，模糊规则或者来自专家的知识和经验，或者通过模糊逻辑系统的自学 习过程逐步获得。如果有专家提供的知识和经验，模糊规则库的建立相对来说是 较为简便和快捷的。系统中模糊推理机的作用是根据接受到的模糊输入信息 x = ( x ，x 。) 和模糊规则库中现有的规则，产生相应的模糊输出变量y 。其核 心机制是模糊条件推理的方法。另外模糊化单元的作用在于将实数论域上的精确 量转化成模糊逻辑系统所能处理的模糊量，也即隶属度。模糊化方法有两种基本 类型：离散法和连续法。反模糊化单元的作用则在于将模糊逻辑系统产生的模糊 量反变换成一个精确量y 。常用的反模糊化算法有最大隶属度法和加权平均法。 但是对于复杂的诊断系统，要建立正确的模糊规则和隶属函数是非常困难。 模糊控制是智能控制的又一活跃研究领域，模糊控制得以广泛发展并在现 实中得以成功应用，其根源在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其 转化为控制策略的一种系统的推理方法，因而能够解决许多复杂而无法建立精确 的数学模型系统的控制问题，是处理推理系统和控制系统中不精确和不确定性的 一种有效方法。”。模糊控制的特点： l - 它是一种非线性控制方法，工作范围宽，适用范围广，特别适合于非线 中南大学硕士学位论文 第二章智能控制理论 性系统的控制。 2 它不依赖于对象的数学模型，对无法建模或很难建模的复杂对象，也能 利用人的经验知识来设计模糊控制器，完成控制任务。而传统的控制方法都要已 知被控对象的数学模型，才能设计控制器。 3 它具有内在的并行处理机制，表现出极强的鲁棒性，对被控对象的特性 变化不敏感，模糊控制器的设计参数容易选择调整。 4 算法简单，执行快，容易实现。 5 不需要很多的控制理论知识，容易普及推广。 目前，在国内外，模糊控制除了在工业窑炉生产过程中获得应用外，还用 于机床控制、液压伺服系统、温度控制过程等方面。模糊控制器作为模糊控制系 统中最重要的组成部分，对提高系统品质起了十分重要的作用。 2 4 专家控制系统 2 4 1 专家系统的基本结构 所谓专家系统是指：用有关问题领域中专家知识进行推论，并具有能与专家 同等水平解决复杂问题的能力的智能程序系统。 专家系统的基本结构如图2 3 所示。 图2 3 专家系统的基本结构 卜知识采集子系统：2 一知识库： 3 一推理机： 4 一解释子系统：5 工作内存： 6 用户接口 知识库用来存储从专家那里得到的关于某个领域的两种专门知识：事实或 普遍规律的书本知识：启发性或探试性的知识，这是专家经过多年工作凭经验 中南大学硕士学位论文第二章智能控制理论 得到的知识。知识的确定性和完善性取决于该领域的专家，而知识的可用性既与 领域专家又与知识工程师有关。 推理机，它是一组程序，用来控制、协调整个系统的工作。它根据当前输入 信息，利用知识库中的知识，按一定的推理策略去解决当前的问题。推理机由翻 译程序和调度程序组成，前者决定如何运行知识，后者决定何时及以什么顺序运 用不同部分的知识 解释系统，它是解释系统本身的推理过程及推理结果的程序，并回答用户问 题，以便用户能够接受。 知识采集系统，主要是萃取专家知识，为修改知识库的原有知识和扩充新的 知识提供手段。 人机接口，具有使系统能够方便地与用户进行对话的功能。 2 4 2 规则系统 从专家那里吸取的专门知识必须用一定结构形式来表示。因此，专家系统的 知识表示方法有：规则系统、框架系统( 语义网络) 及逻辑系统。电力系统用得最 多是规则系统。 规则系统是利用产生式规则表示知识即使用i f ( 条件) 和t h e n ( 动作) 语句： i ffa n dbt h e nz 即：若( i f ) f 成立 且( a n d ) b 成立 则( t n ) z 成立 此处f 和b 是要启动上述规则必须满足的条件。z 是动作，即当该规则被启 动时要采取的动作。 在推理过程中，推理机中的翻译程序将事实与规则中的i f 部分作比较，如 i f 部分的前提( 或条件) 被事实满足，则t h e n 部分规定的结论( 或动作) 就被完成， 这时也被这条规则所激发。然后，翻译程序将该结论( 或动作) 作为新的事实存入 知识库，从而完成一个由匹配到执行组成的基本工作循环。 2 4 3 专家系统常用的推理方式 正向推理：它是将工作数据库中现存数据或事实与每一个规则匹配，启动那 些与这些数据或事实模式相匹配的规则。这种从数据到结论称为数据驱动策略。 即从一组数据开始，启动每组规则，规则的动作改变数据组，并重复此过程， 直到获得一组满意的结论。 中南大学硕士学位论文第二章 智能控制理论 反向推理：它是先提出假设，然后搜索规则库来证明或否定该假设。这种由结 论到数据通过人机交互方式逐步寻找证据的方法称为目标驱动策略。 正反向推理( 双向推理) ：一般是先根据数据库的原始数据，通过正向推理，帮 助系统提出假设，再运用反向推理，进一步寻找支持假设的证据，如此反复这个 过程，就是正反向混合驱动策略。 贝叶斯( b a y e s ) 方法：是概率论中用来描述有条件的信息和推理规则，利用联 合概率和条件统计推理概率，推断出结论的可能性。 模糊推理：以模糊数学为基础的推理方式，最后得出某结论为真的程度。 以上所述的推理方式中，前三种属精确的逻辑推理，而后二种属不精确推理。 2 4 4 建立专家系统的步骤和特征 现有的专家系统共分为三类： 第一类是基于规则的专家系统m 1 。这类规则具有很大的局限性，它的规则是 纯粹的规则，一个信息要想匹配成功，其输入信息既不能多也不能少。这类专家 系统是初级的。 第二类是基于模糊的专家系统“。这类专家系统支持有关某一领域的经验信 息，它可以从一些初步的信息，经过模型获得它的进一步的知识。这类专家系统 比第一类要先进许多，它不一定要求信息完整，却可以从模型中得出一些有用的 信息。 第三类是基于领域知识的专家系统汹1 。这是目前专家系统研究的方向，可以 根据深层知识，寻找更多的信息。深层知识是由某一领域特定的结构及物理性质 组成，一旦不能由规则库找到信息，则可以由深层知识进行搜索，获得有用的信 息，深层知识很象启发式函数，从中得到信息，以便知道怎样进行下一步的搜索 和工作。显然这比上两类要高级许多。 通常建立、开发一个专家系统，最主要的工作是通过和该领域专家的一系列 讨论，获取该领域专门问题的专业知识，再进一步概括，形成概念并建立起各种 关系。接着就是把这些知识形式化，用合适的计算机语言实现组织和求解问题机 制，建成原型系统。最后通过测试评价，在此基础上进行改进以获得预期效果。 专家系统是以专家知识为基础，模仿人类专家推理过程的逻辑推理系统，优点有： 可以清晰可读的类自然语言方式表达无法用数学模型表达的专家知识，便于理解 及知识库维护：能在特定领域内模仿专家工作，处理非常复杂的情况，包括异常 情况：在已知其基本规则的情况下，无需输入大量细节数据，即可运行：能对系统 的结论作出解释。 中南大学硕士学位论文 第二章智能控制理论 再认识 l 认识问题 l 的特征 认识阶段 再分析l 再设计 耋量圈鎏网薹! ! 到建立关系l ! ! ! 鱼j 知识结构l ! 鬯 概念化阶段形式化阶段 图2 5建立专家系统的步骤 建立一专家系统应具备的特征见下图。 深度 显示专家性能 有足够的鲁棒性 有高级的技巧 用符号表示知识 再改进 蕊 及推理机制p 兰划验 实现阶段测试 能重新阐述符号表示的知识 能解决困难的问题 使用复合的规则 自生成知识 三：著三兰：磊理 图2 6专家系统应具备的特征 建立专家系统一般包括三个步骤：知识获取、知识表达方式的选择和专家系 统的建立。知识获取就是把解决问题所需要的专门知识转换为计算机程序。知识 表达方式的选中可不仅要考虑表达知识的能力，而且要求该方式能简单和方便地 描述、修改和解释系统中的知识，此外还要在以计算机表达知识的方便性和结构 的复杂性之间加以平衡。专家系统的建立首先要进行知识库的初步设计，规定目 标、约束、知识来源、参加者以及它们的作用，将问题分解成功能单一的子问题， l 斗l l t l 识 理 知 推 门 号 专 符 中南大学硕士学位论文 第二章智能控制理论 为各子问题的各个组成部分选择表达方式。然后选择一个知识的原型子集，这个 子集必须包括有代表性的知识样本，这些知识样本对整个模型来说应该是具有典 型意义的，同时又必须只涉及对试验室足够简单的子任务和推理过程。一旦原型 产生了一个可以接受的推理，这个原型就可以扩展到包括它必须解释的各种更为 详细的问题从而实现知识集的建立。 2 5 智能控制实现方法 针对大功率电弧炉控制对象，生产过程为多变量耦合系统，各被控量之间往 往存在某种程度的关联，它将妨碍各变量的单独控制作用，通常可以采用解耦方 法进行控制。不少学者已提出许多解耦算法如：状态反馈解耦，动态前置补偿解 耦等。这些传统的解耦方法往往需要建立精确的数学模型，因而在实际应用中将 遇到困难。而基于神经网络的解耦方法，当变量数增加时，为了有效解耦，其神 经网络输入输出节点及隐含节点数将大大增加，训练神经网络将变得十分困难， 因此该方法很难用于实时控制。 基于模糊理论的控制方法，进行单变量温度控制时，采用复合模糊控制算法， 能有效地克服纯滞后和参数变化对系统的影响，取得了较好的控制效果，而将模 糊控制方法用于多变量控制时，需要采用分层多规则控制，最终得出的查询表较 粗糙，因此控制效果不够理想。 专家控制是一种基于知识和推理的智能控制方法，根据该系统的特点及专家 的专门知识和经验，建立其控制规则集，根据输出变量检测值进行正向推理执行 控制规则，近十多年来的研究和应用表明，基于知识的专家控制系统能仿效专家 的智能，进行非单调的推理，能有效地控制带耦合的多量系统及任意的随时间变 化的非线性过程。 智能控制能综合符号推理和数值计算，能综合不同控制策略，易于由用户对 知识库进行修改，可方便的实现生产过程的全面自动化o “。 电弧炉系统不宜建立准确的数学模型，并面临着非线性、大延时、时变和强 耦合等因素的困扰，采用单一的常规控制方式不可能完成对冶炼生产的有效控 制。为了兼顾工艺进程、节电、测量手段和设备条件等方面的制约，本项目采用 智能控制方式来实现对铅锌冶炼电弧炉温度及电流平衡的自动控制，系统采用的 关键技术如下： ( 1 ) 设计开发渣型、炉温和电流之间的专家系统控制表，即利用以往冶炼 生产的大量的先验知识，建立电极位移、电流与渣面高度之间，渣型与铅渣分离 最优炉温目标值之间，渣型与放渣保温最优炉温目标值之间，渣型、炉温和保持 中南大学硕士学位论文 第二章智能控制理论 该温度恒定所需要的电流值之间的各种关系表。 ( 2 ) 设计开发模糊专家控制系统完成对冶炼电流进程的自动控制，专家系 统根据渣型不同给出合理的电流目标值，再由二维模糊规则根据炉温和炉温变化 速度求出电流进程与电流目标值的偏移量，综合以上两个变量构成电流进程信 号。 ( 3 ) 设计开发模糊专家控制系统完成对冶炼温度进程的自动控制，温度进 程以铅锌冶炼生产工艺要求为约束条件，其系数受模糊规则调节的公式导出。 ( 4 ) 利用人工神经网络通过在线学习完成对电弧炉温度一电流模型的自适 应辨识，将温度进程信息转化为电流辅助进程信息。 ( 5 ) 设计开发电流优化决策系统对电流进程和电流辅助进程加权处理，弥 补模糊专家控制系统和人工神经网络控制方法的差异和不足，突破以上两种方法 仅考虑电流与温度相互关系的局限性，融合冶炼工艺和节能要求对指令电流的制 约。 ( 6 ) 利用专家系统实现三相电极电流控制的弱化解耦，即根据三相电流的 实际偏差，用专家经验总结出三相电流和三个电极的位置升降关系，从而弱化三 相电流的耦合关系。 ( 7 ) 采用模糊控制技术实现三相电流平衡控制。即在每一控制周期内，由 计算机查询“模糊控制表”得到模糊输出量，然后经过模糊的清晰化，得到精确 作用于电机的控制时间。 中南大学硕士学位论文 第三章系统控制结构的研究 第三章系统控制结构的研究 大功率电弧炉冶炼生产是一个复杂的物理化学过程，不宜建立准确的数学模 型，电弧炉温度和电流平衡控制系统既面临着非线性、大延时、时变和干扰强等 因素的困扰，又必须考虑工艺进程、节电、测量手段和设备条件等方面的制约， 因此仅采用单一的常规控制方式不可能完成对铅锌冶炼生产的有效控制，本项目 在综合考虑上述各方面因素影响的基础上，采用多种智能控制方式结合实现了对 铅锌冶炼电弧炉