智能控制在现代工业中的应用

智能控制在现代工业中的应用1现代工业系统特点与智能控制的形成智能控制形成的工业要素随着科学技术的进步和工业生产的发展，现代工业生产过程，特别是复杂的工业生产过程的控制和综合自动化成为人们越来越需要面对的问题。 这是推动自动控制理论和系统科学发展的强大动力，同时提出了自动控制前所未有的挑战，其表现为： (1)被控对象越来越复杂的被控对象是无限维的复杂系统，表现出强分布特性，利用有限参数模型设计的控制复杂性也表现在受控对象与环境之间的关系中，不确定性因素增加，缺乏先验知识，环境干扰具有多样性、时变性和随机性，系统与环境、系统各子系统之间与系统内部的关联性非常强烈，非常复杂。 (2)高度不确定性现代工业系统的结构、参数和环境具有高度不确定性，系统和环境存在着许多未知因素，如环境的动态变化、输入信息的多样化和数据量的显着增加等，其信息结构也发生了质量的变化。 (3)多层次、多目标的控制，是现代工业控制所追求的不仅仅是低层次的单一品质，而是以协调、调度、管理和决策等多样化、多层次的综合目标的实现为目标。 (4)控制手段的经济性基于实时性、生产成本和作业质量等因素，不允许控制手段过于复杂。 现代工业生产为了追求高质量、高可靠、高利润、高适应性的“四高”目标，一方面生产规模越来越大，节奏越来越快，技术越来越复杂，另一方面，在基于严格精确的数学模型描述的传统控制理论分析、综合与设计技术与现代工业生产控制实践中存在着很大的差距双工业自动化控制系统在自动化(automation )不断完善和发展的今天，自动化水平已成为衡量企业现代化水平的重要标准。 自动化的重要分支工业自动化是提高生产型企业生产效率、稳定产品质量的重要手段。 我国自动化发展的历史也经历了以“观测”为主的第一阶段，“观测”和“人为反应”的第二阶段已经进入“自动测量自动反应”的第三阶段。 这些进步同时需要控制理论和实践的完善，智能控制(intelligent controls )作为基于现代控制理论发展的新的控制理论，已经广泛应用于各自动化领域，全自动洗衣机是典型的智能控制自动化示例。一个控制系统由控制器、传感器、发射器、致动器、输入输出接口5个部分构成。 控制器的输出经由输出接口、致动器，加至被控制系统的控制量，经由传感器、变送器，经由输入接口传送至控制器，正常的运算控制操作完成。根据有无自动控制，自动控制分为“开环控制”和“闭环控制”。 区分“开环控制”和“闭环控制”的最直接方法是看是否有最终对象的反馈。 当然，这种反馈并非人类直观观察到的。 例如，向容器中注入水后，有水位测量设备，水位达到设定的高度，水龙头自动关闭。 这就是“闭环控制”。人为地观察水是否达到设定的高度，人为地关闭水龙头就是“开环控制”。 当然，智能控制、目标不需要人为干预，因此简单地认为“开环控制”是人为干预控制，无法完全表现智能控制的特征，在此不作深入探讨。 “闭环控制”根据驱动器的不同分为“状态闭环控制”和“调节闭环控制”。 区分“状态闭环控制”和“调节闭环控制”的方法是看到对致动器的作用，在上述例子中，水龙头是两个开关，如果水位达到设定的高度而自动关闭水龙头是“状态闭环控制”的水龙头能够调节，则根据水位的高度来调节水龙头的开度的大小，根据水量的不同目前，在工业自动化控制中，“状态闭环控制”多用于保护类控制。 例如马达的ETS、锅炉的MFT、化学工业的ESD、泵保护等。 其优点在于，反应相对快，控制器本身不需要复杂的计算，并且在逻辑运算中基本上能够实现，其缺点在于，如果接收到的反馈信号是假信号，则根据假信号进行操作，从而在步骤上通常被称为“误动作”。 由于动作快(一般以“毫秒”为单位计算)，如果发生误动作，则在执行前或执行中无法人为应对，只能在事后补救。 重要保护若发生误动作，其影响和损失较大。 针对该问题，根据现场的“状态闭环控制”的重要性和损失性，需要对反馈信号进行质量判定处理，判断信号的真实性，如果是假信号，则保持原来的信号不变，不使致动器动作，避免误动作。 此外，大多数“状态闭环控制”还包括是否允许执行的开关和联锁按钮。 联锁按钮根据状况屏蔽控制内容，由此能够部分地提前控制，将误动作的可能性抑制到最小限度。“调节闭环控制”比“状态闭环控制”复杂，控制器需要进行复杂的运算，计算输出结果并传递给执行器，执行器需要调节被调节对象。 在时间上，“调节闭环控制”总是进行计算和输出，其周期由控制器的运算周期决定。 为了调节闭环控制，需要人为或系统地计算某个被控制对象的理想状态数值(简称为规定值set value，s )，控制器根据实际的被控制对象的数值(测定值practical value， 简称为p )和规定值的偏差进行比较，改变计算输出到执行元件的值(简称为输出值output value，o )的执行元件，改变测量值，控制器再次比较测量值和规定值的偏差(以下简称为偏差)，进行下一个周期的计算并输出。 “调节闭环控制”一般的控制方式是“比例积分微分控制”，即“PID控制”或“PID调整”。 PID控制器基于偏差通过比例(proportional )、积分(integration )、微分(differentiation )来计算控制量并进行控制。 PID控制器问世已有近几十年的历史，结构简单、稳定性好、工作可靠、调试方便，已成为工业控制的主要技术之一。 许多盘仪表控制器具有优良的带存储功能的PID控制功能。 “闭环控制的调节”对控制系统各个环节的设备性能要求很高，驱动器对驱动器的线性度很高，不能逐步执行。 另外，“调节闭环控制”是经常调节的控制，致动器的机械部分磨损大，有影响致动器寿命的部分。在“闭环控制”中，也要求控制系统的各部分的动作状态，但是，例如，在“闭环控制”中，要求致动器在“线性区域”动作，不是死区。 死区(dead zone )也称为仪表的死区，是指输入量的变化使该仪表的输出量不发生某种可感知的变化的有限区间。 例如，在接收到420mA的线性信号、输出动作为0100%的机械力、输入的信号为4.0005mA的情况下，致动器不动作，在这种情况下，4.0005mA处于致动器的死区内。 阀是最典型的驱动器，阀的动作特性曲线图(图01 )表示阀的死区和动作直线部的特征。 图中的y轴表示阀输出的机械动作，即表示实际开度的x轴表示接受的执行指令的大小，即要求开度。 由图可知，阀关闭时刚开始接收打开信号后阀实际不动作的是，该区域为死区，接收到一定的信号值后，阀大幅度动作，进入比较缓和的直线运转区域，该比较缓和的直线即线性区域(linear zone )。 并且，大幅度的动作区域，死区，最终通过全开度。 关闭也没关系。 实际上，很多阀实际上不能完全达到0%和100%开度，即使0%开度的阀有一定或多或少的流量，但是100%开度也不能零阻流动。了解“调节闭环控制”执行机构的特点，之后调节的方法多为PID调节。 PID调节有很多计算方法，但在实际应用中多采用“试验法”，通过经验预设一组PID参数值，根据实际效果调节参数值，达到了预期的目的。 因此，实际上如何调节哪些参数以及如何调节PID参数是必须最直接把握的内容。首先，知道调整后的调节系统的工作方法，即正常工作还是反常工作。 如果被调整对象的测量值大于规定值，则增大执行元件的输出值为正数。 相反是反动。 同样的容器，也有供水阀，也有排水阀，如果被调节对象是水位，水位超过期待值的话，就必须减小供水阀的开度，为了增大供水阀反作用的排水阀的开度，排水阀发挥正的作用。 正反作用是PID调节的基础，是驱动器的方向问题，有可能找到正确的方向，发展成良好的调节效果。接下来我想知道的是p，I，d的意思。 比例、积分、微分起着PID调节的作用。比例(p )控制是最简单和基础的控制方式。 控制器的输出与偏差信号成比例。 比例控制的输出曲线如图02所示，其输出是从原点开始的直线，直线的斜率由比例增益决定。 一方面，测定值和所给值接近无限，即偏差值越小，越满足调节的精度。 另一方面，调节需要有一定的幅度，保证调节的灵敏度。 解决这一矛盾的方法是预先放大偏差信号。 比例增益用于设置差分信号的放大系数。 粗略的比例增益是放大倍率。 一般而言，初次调试时，比例增益可以预设为中间较大的值。 等待设备运转时根据情况进行细微调整。 另一方面，系统只进行比例控制时，系统输出中存在稳定误差，其测定值曲线的表现为等幅振动。积分(I )控制对比例控制有较强的制约效应。 对于一个自动控制系统，在进入稳态后有稳态误差时，该控制系统被称为有稳态误差或简单有差别的系统。 为了消除稳态误差，需要在控制器中导入“积分”。 积分作用随着时间的延长而增大。 因此，即使偏差较小，积分也会随着时间的增加而增加，反之亦然地按压控制器的输出，使稳定误差减小至零。 如图03所示，积分曲线具有偏差，如果偏差在允许偏差的范围外，则积分发挥作用，反作用力拉长比例放大。 相反，无偏差或偏差在允许范围内时，积分作用消失。 调节积分的参数是积分时间，比例控制中比例增益越大，惯性就越“过冲”，相反调整后再次过冲，形成振动。 积分效果是在积分时间内逐渐增大比例增益放大后的差分信号、减慢其变化速度、防止振动。 然而，如果积分时间过长，并且反馈信号急剧变化，则难以快速地恢复被控制的物理量。 因此，积分时间的取值与拖动系统的时间常数有关，拖动系统的时间常数与积分时间成正比。微分(d )控制是调节系统在进行比例控制和积分控制之前进行的先行控制，采用微分控制的主要原因是控制系统存在滞后。 在比例控制之后，该系统被控制的物理量值不会及时改变，而是在比例控制过冲时开始改变，积分操作不能成功地反转该比例，这是因为当惯性达到理想输出时该比例会向相反的方向移动，所以该系统不受限制地振荡。 这样需要微分提前控制，微分控制曲线如图04所示，微分作用在比例控制之前，输出提前作用于被控制对象，抵消延迟时间，比例控制和积分控制作用，避免被控制量的严重过冲。 微分根据差分信号变化的速度，预先给出相应的调节动作，缩短调节时间，克服积分时间过长导致恢复延迟的缺点。 微分控制参数主要是微分时间，微分时间的取法也与拖动系统的时间常数有关，拖动系统的时间常数也与微分时间成正比。PID控制是比例、积分、微分耦合作用控制，当前最常见的是PI控制和PID控制，由实际的被控制对象所选择的控制的组合方法也不同，但目的曲线相同，如图05所示，图中的y轴表示测定值和规定的刻度。 由于x轴表示时间，给定的值是固定的，所以它是平行于x轴的直线，理论上，我们希望的曲线接近于控制量直接给定的量，并且如曲线“理想状态下的受控对象测量曲线”那样重叠，但是实际上不能实现。 客观上，图中的“控制良好的被控对象测量曲线”是理想的，将控制量赋予的定量分配数周期后，接近赋予的定量。 实际上，控制量和定量并不完全一致，存在动态偏差。 稳定还是经过几个循环后才稳定取决于参数的设置、各控制环的性能和干扰。3智能控制技术发展趋势展望现在控制理论和技术向两个方向发展，一个是对一个理论或方法本身的深入研究，二是适当结合不同的方法，互相吸取优点，发挥各自的优点，形成新的控制系统，取得单一方法无法达到的效果由于专家系统控制、模糊控制和神经网络控制各有特点，目前有些研究人员综合了这些方法，形成了模糊神经网络控制和专家模糊控制等多个方向。 例如基于神经网络的模糊焊接控制方法、进化计算和基于神经网络的财政预算方法、用于医学诊断的粗集神经网络专家系