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PLC和智能控制简介 Katsuhiko Ogata PLC(即可编程逻辑控制器)是机械控制中为替代必要的继电器时序电路而发明的一种设备。PLC工作时通过查询输入端并根据其状态打开或关闭输出。用户通常用软件或编程器输入程序从而获得期望的结果。 很多实际应用都采用PLC。工业生产中应用PLC的可能性很高。如果你正在进行机械制造、产品包装、材料处理、自动化装配及无数其他工业生产,你可能已经用到了PLC。如果没有用到,那就是在浪费金钱和时间。几乎所有需要电气控制的地方都需要PLC。 例如,假定在开关闭合时我们需要一个线圈接通5秒,然后不管开关接通多长时间都将线圈断开。我们可以通过一个简单的外部定时器来实现。但是假如该过程有十个开关和线圈呢?我们就需要十个外部定时器。如果这个过程需要分别记录每个开关开启的次数呢?我们又需要很多外部计数器。 由此可见,系统越大,我们就越需要PLC。我们可以简单地用PLC编程来对输入信号进行计数,并在规定的时间接通线圈。 我们考察一下哪些是PLC中最常用的20条指令。保守地估计一下,如果真正地掌握了这些指令,就能解决80%以上现存的应用问题。 是的,80%以上!当然,我们要学习的指令比这些更多,以帮助你解决几乎所有潜在的PLC应用问题。 PLC 主要由中央处理器(CPU)、存储器和输入、输出电路构成如图1所示。我们可以将PLC看成是一个装满了成百上千个独立的继电器、计数器、定时器以及数据存储器的盒子。这些计数器、定时器等是不是真的存在呢?不,它们都是模拟的,物理上并不存在,但可以将它们看成是软计数器、软定时器等。这些内部继电器是用寄存器中的位单元模拟出来的。 图1 PLC的结构 各个部分是如何工作的呢? 输入继电器(触点)这些继电器连接外部电路。它们是实际存在的,并接收来自开关、传感器等的信号,通常是晶体管而非继电器。 内部通用继电器(触点)它们不从外部设备接收信号,也非物理上存在的。它们是模拟的继电器,用以消除PLC的外部继电器。此外还有一些特殊继电器,专门执行一项任务。其中一些是常开的,一些是常闭的。有一些仅在电源上电时导通一次,通常用来初始化存储的数据。 计数器 它们也非物理上存在的,而是模拟的计数器,可通过编程来对脉冲进行计数。通常它们可进行加计数、减计数或同时进行加减计数。因为它们是用软件模拟的,计数速度就有限。一些制造商提供了基于硬件的高速计数器。这样的计数器可以认为是物理上存在的。这些计数器多数情况下可以进行加计数、减计数或同时进行加减计数。 定时器 它们也非物理上存在的,分为多种类型和定时单位。最常用的一种类型是延时导通型。其他类型还有延时断开型、记忆和非记忆型。定时单位的范围是1ms 到1s。 输出继电器(线圈)该部分连接到外围电路。它们是物理上存在的,并给线圈、灯等发送开关信号。输出继电器可以是晶体管、继电器或可控硅,取决于选择的型号。 数据存储器 它们通常是用来存储数据的寄存器,一般作为运算或数据处理的暂存器。在PLC断电时通常还可用来存储数据。再次接通电源后,其内容与断电前相同,非常方便且必要。 PLC是通过连续扫描一个程序来工作的。我们可以认为扫描周期是由3个主要阶段组成的,如图2所示。当然有多于三个阶段的情况,但我们可关注重要的环节,忽略其他环节。其他阶段通常正在检查系统及更新内部计数器和定时器的当前值。 图2 PLC的工作过程 第一步检查输入状态首先PLC检查每一个输入是否接通。换句话说就是与检查输入状态执行程序 更新输出状态 10 第一个输入端连接的传感器接通了吗?第二个输入呢?第三个输入呢?PLC将这些数据记录到存储器中以便在下一阶段使用。 第二步执行程序然后PLC一次一条指令地执行程序。你的程序可能要求第一个输入接通时,就接通第一个输出。因为在上一步已经知道输入端的开关状态,根据上一步中第一个输入端的状态,就可以确定是否应接通第一个输出。PLC将执行结果存储起来,以供下一步使用。 第三步更新输出状态最后PLC更新输出状态。PLC根据第一步中接通的输入和第二步中程序执行的结果更新输出状态。由于第一个输入接通了,程序要求在该条件满足时就接通第一个输出,根据第二步的情况,PLC就接通第一个输出。 PLC在执行完第三步后就返回到第一步并反复循环。一次扫描时间定义为执行上面的三步所花的时间。因此,一个实际的系统应根据要求去执行特定的操作。智能与智能系统能用许多方式和从许多方面来描述。通常包含智能系统的特征,这些也是控制领域所关心的特征。 下面,首先讨论智能系统的几种定义和某些基本特性。接着陈述一下具有共同特性的智能系统的一个简洁的工程定义。更详细地,我们从智能系统的一个非常一般的定义开始,讨论智能程度,解释控制在智能系统中的作用,并概括出几种定义。然后讨论智能系统中的自适应和自学习、自主性和必要的高效计算结构,来处理智能系统的复杂性。最后归结出智能(控制)系统的基本特征。 我们从智能系统的一般特征开始:一个智能系统应具备在不可预测的环境下适当工作的能力,在这个环境中一个适当的反应能够增加成功的可能性,从而达到系统最终的目的。为了能让人造智能系统适当的工作它应能模拟生物的功能和基本的人的智能。一个智能系统能从多个方面来描述。智能程度能从智能的各个方面测得。智能至少要具有感受环境、进而做出决定来进行控制的能力。智能化程度比较高的智能系统具有识别目标和事件、描述世界模型中的知识、思考并计划未来的能力。在智能化程度更高级的形式中,智能具有感知和理解、理智地做出选择、在各种各样的环境下成功地运行以便能在复杂的、不利的环境下生存和发展的能力。通过计算能力的发展和在复杂多变的环境中怎样感知、决定并做出响应的知识的积累,我们可以观察到智能也在更新与发展。 智能系统的以上特征是非常普遍的。据上所述,很多系统都可以被认为是智能的。事实上,根据这种定义,恒温器尽管只是低水平的智能,但是也可以被认为是智能系统。然而,习惯上当一个系统具有高水平的智能时,我们才称它为智能系统。 智能系统存在许多相关的定义,下面我们提到了几种。它们提供可选择但相关的智能系统的特性这种智能系统着重强调系统的高程度智能。 下面的定义强调这样一个事实,处理信息的系统集中在人造系统和智能机器上: A. 机器智能是分析、组织和转换数据成知识的过程在这里知识被定义为结构化的信息这种信息被用来消除无知或相对于智能机器来说某些特殊任务的不确定性。这种定义导致了增加精度而相对减少智能的原则这种原则表示应用机器智能到数据库能生成一系列的知识通过分析形式进行过程建模。 其次智能系统具有自动分配任务和在内部自主地控制执行机构的特性 B. 许多自适应或自学习控制系统被认为是作为一种控制法则来满足明确的控制目标。这种行为代表着系统试图组织或排列自己动态行为的知识来满足控制目标。这些知识的组织是组成智能的一个重要特征。如果系统能够自主地实现这种组织,那么智能就成为系统的一种性能,而非系统设计者的。这意味着能内部实现自组织原则的自组织控制器是智能控制系统。 下面给出智能系统的过程特性: C. 智能是系统的一种特性,当集中注意、联合搜索和概括等过程被应用在输入信息,从而产生输出时,这种特性就会出现。你可以很容易的推断出,一旦以上过程被定义,具有智能结构的结果规则生成并作为新的结果。只有一种标准结构将导致在恒温器中固有的一个不成熟的智能或导致成为一个可变结构的变化模型的控制器。 智能和控制的概念紧密相关,并且术语“智能控制”有着独特的、可区别的意思。一个智能系统必须定义和利用目标。控制被要求用来驱动系统达到这些目标并定义这些目标。因此,任何智能系统都是控制系统。相反地,智能必须在条件变化的情况下提供合适的系统运行过程,也必须在控制系统中具有高度的自主行为。因为控制是任何智能系统的一个重要部分,因此在工程文献中“智能控制系统”有时被用来代替“智能系统”或“智能机器”。“智能控制系统”强调智能系统中的控制方面。 下面介绍一下智能(控制)系统的另外一些特性。根据观察,一个控制系统包括数据结构或对象(设备模型和控制目标)和处理单元或方法(控制规则):D. 由于组件、控制目标、加工模型和控制法则并没有完全被定义没被定义的原因或是因为在设计时不了解或是因为它们在不可预测地变化着。所以设计一个智能控制系统以便能自动获得高标准目标。在具有不同智能化程度的系统中呈现出几种基本特性。你可以认为它们是智能系统的特征或是衡量智能程度的方面。下面我们讨论在智能控制系统中三种非常基本的特性。 自适应与自学习 在智能系统中适应变化多端的条件的能力是必需的。尽管自适应不一定要具备自学习能力但一个系统要适应不可预测的各种变化学习是最必要的。因此学习能力是高智能系统的一种重要特性。 自主性和智能 在设置和获取目标过程中自主性是智能控制系统的一个重要特性。当一个系统在一个没有外界干预的不确定的环境中能正常运行时它就被认为是一个高自主性系统。不同系统的自主性程度是不一样的,自适应控制系统被认为比安装了控制器的控制系统具有更高自主能力,因为它比一个固定的反馈控制器更能处理不可预测的问题。尽管对低自主性来说,无智能(或“低”智能)是必然的,但是对高自主性来说,系统的智能(或“高”智能度)是很必要的。 结构和层次 为了应对复杂情况一个智能系统必须具备一个合适的功能结构来进行有效的分析和控制决策的估计。这种结构是“稀少的”并且它应该提供一种机制来建立提取标准(决议)或者至少提供某种形式的部分规则来减少复杂性。一种研究智能机器的熵方法能加强这种有效的计算结构。能够适应的层次(或许是大致的、局部的或是组合的层次)可以作为一种主要的工具来处理复杂性。这里的“层次”术语是指功能性层次或者是指时空的范围和决议而且它并不意味着是一种层次硬件。这里面的某些结构可能是硬件的。