机械电子工程毕业论文设计基于专家控制系统在精校机液压位置伺服系统上的仿真与应用研究打印版

1、基于专家控制系统在精校机液压位置伺服系统上的仿真与应用研究The Simulation and Applied Study on Straightening Machine Hydraulic Press Servo System Based on the Expert Control System作 者 姓 名 杨文旭 学 位 类 型 学 历 硕 士 学 科、专 业 机械电子工程 研 究 方 向 机电控制与自动化 导 师 及 职 称 丁曙光 副教授 2010年04月合 肥 工 业 大 学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。答辩委员会签名：（工作单位、职称

2、）主席： 黄康 合肥工业大学 教授 委员：李贵闪 合肥锻压集团 高级工程师 翟华 合肥工业大学 副教授 导师： 丁曙光 合肥工业大学 副教授 独 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：杨文旭 签字日期：2010 年 04月29 日学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学

3、 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国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 合肥工业大学 可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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：杨文旭 导师签名：丁曙光签字日期：2010 年04 月29 日 签字日期：2010 年04 月29 日学位论文作者毕业后去向：就业工作单位：武桥重工集团股份 ：通讯地址： ：基于专家控制系统在精校机液压位置伺服系统上的仿真与应用研究摘要在现代制造生产工业中，对轴类零件的要求越来越高，这就对轴类零件的校直

4、提出了新的要求。精校机作为一种先进的轴类零件液压校直装备，被广泛应用在机械，汽车，工程机械等各类机械制造行业。液压位置伺服系统是精校机最主要的部分，该系统直接决定着工件的加工精度，但是由于这个系统是一个非线性时变系统，而且该系统对环境和负载的依赖性比较大，比如说温度的高低、工作时间的长短、液压油的黏性、负载的材料、尺寸等等，这些因素都会影响液压位置伺服系统的响应精度，使其控制起来有一定的难度。针对此种情况，需要对液压位置伺服系统进行深入的研究，同时寻找一种智能的方法来对此系统进行控制。本文对精校机液压位置伺服系统的工作原理进行了介绍，根据实际的需要设计出了该液压位置伺服系统，建立其相应的数学模

5、型，推导出了系统的传递函数。并分别对空载下行和压下工件两种负载情况进行讨论，对系统的动态性能和静态性能进行分析。然后对液压位置伺服系统控制方法加以改进，传统的PID控制由于不能有效克服负载、参数大范围变化及非线性因素的影响，因而不能满足控制要求，所以在本文中引入了专家整定PID控制器，它是把专家系统和传统的PID控制系统有效的结合起来而形成的一种新型的控制器，这种控制器可以利用专家系统的知识库来修正PID参数，从而改变PID控制方式以达到最佳PID控制的效果。最后，把专家整定PID控制器的控制效果通过Matlab仿真,得出仿真图，并把此控制器用于YH40-63精校机进行试验，把仿真图和实验所得

6、的数据进行分析后，得出把专家整定PID控制器应用于精校机上是可以达到校直要求的。关键词：精校机，专家控制器，液压伺服系统，仿真The Simulation and Applied Study on Straightening Machine Hydraulic Press Servo System Based on the Expert Control System AbstractIn modern manufacturing industry, the requirement for shaft parts is increasingly getting higher and higher

7、, and this proposes new requirements for precise straightening machine, as an advanced shaft parts manufacturing equipment, which is widely used in machinery, automobile, engineering machinery and other types of machinery manufacturing industry. Hydraulic servo body is the main part of precise strai

8、ghtening machine parts, which directly determines the work piece machining accuracy. However, because this body is a non-linear time-varying system, and this system is comparatively dependent on the environment, such as temperature height, operating time length, viscosity of hydraulic oil and so on.

9、 These factors can affect the hydraulic pressure position servers work precision, making its control certain difficult. In such cases, it is necessary to conduct the analytical study to its hydraulic position servo system analysis in order to find a more precise way to control this system.This thesi

10、s, by inferring its transfer function through the study of valve controlling cylinder, carry on the research based on the two load conditions of no-load pressure and the pressure head press down the work piece to analyze the corresponding mathematical model established by the analysis. Then, the hyd

11、raulic servo system control method is improved. Because the traditional PID control cannot overcome the influence of the factor of the load, the wide range change of the model parameter and the misalignment effectively, so this paper introduces the indirect expert controller, one kind of new control

12、ler which unifies the expert control system and the traditional PID control system forms. This kind of controller revises the PID parameter by using the expert system knowledge library, thus changes the PID control mode to achieve the best PID control effect. Finally, this paper comes to the conclus

13、ion that this controller is more appropriate for a certain type straightening machine by the application of the effect of this control through the Matlab simulation.Key words: Straightening Machine, expert installation PID control, hydraulic servo-system, simulation 致谢 本人在近三年的学习中，始终的到了丁曙光老师的悉心指导，无论是

14、课题的选择还是论文的撰写，都倾注了丁老师的无数心血；丁老师学识渊博，知识丰富，具有非常深厚的学问功底；同时对我们严格要求，以诲人不倦的态度帮助我们走过每一个台阶。在此，我要衷心的感谢丁老师为我所做的一切，他的教育精神将使我终生受益匪浅。同时我要非常感谢机械设计教研室的全体老师和教授过我的老师，他们在我的学习生活中也给予了我很多的帮助，在此我感谢他们对我学业上的指导，向他们表示崇高的敬意。在我论文撰写期间，我的同学们也给了很多的建议，让我能够保证质量的完成论文写作，特别是葛治亮、宋祥双、缪玉桂、尹道骏、严为林等同学，对我的帮助非常大，向他们表示深刻的感谢。最后我要感谢我的家人，感谢我的亲朋好友，

15、无论在生活还是学习上，他们都给我最坚定的支持和鼓励。 杨文旭 2010年04月目录 TOC o 1-1 h z t 标题 2,2,标题 3,3 HYPERLINK l _Toc260815937 第一章绪论 PAGEREF _Toc260815937 h 1 HYPERLINK l _Toc260815938 1.1 精密校直机的研究现状 PAGEREF _Toc260815938 h 1 HYPERLINK l _Toc260815939 专家系统概述和发展史 PAGEREF _Toc260815939 h 2 HYPERLINK l _Toc260815940 1.3 专家系统的结构及其原

16、理 PAGEREF _Toc260815940 h 4 HYPERLINK l _Toc260815941 专家系统的结构 PAGEREF _Toc260815941 h 4 HYPERLINK l _Toc260815942 1.3.2 专家系统的原理 PAGEREF _Toc260815942 h 4 HYPERLINK l _Toc260815943 本课题的研究内容 PAGEREF _Toc260815943 h 5 HYPERLINK l _Toc260815944 第二章 专家控制系统的理论及专家整定PID控制器 PAGEREF _Toc260815944 h 7 HYPERLIN

17、K l _Toc260815945 专家控制系统的概述 PAGEREF _Toc260815945 h 7 HYPERLINK l _Toc260815946 2.1.1 专家控制系统的结构 PAGEREF _Toc260815946 h 7 HYPERLINK l _Toc260815947 专家控制系统的类型 PAGEREF _Toc260815947 h 9 HYPERLINK l _Toc260815948 专家控制系统在现代生产中的应用以及特点 PAGEREF _Toc260815948 h 12 HYPERLINK l _Toc260815949 专家控制系统的控制要求和设计准则

18、PAGEREF _Toc260815949 h 13 HYPERLINK l _Toc260815950 2.3.1 专家控制系统的控制要求 PAGEREF _Toc260815950 h 13 HYPERLINK l _Toc260815951 专家控制系统的设计原则 PAGEREF _Toc260815951 h 14 HYPERLINK l _Toc260815952 本章小结 PAGEREF _Toc260815952 h 15 HYPERLINK l _Toc260815953 第三章 精校机液压位置伺服系统设计及动态特性分析 PAGEREF _Toc260815953 h 17 H

19、YPERLINK l _Toc260815954 3.1 电液伺服系统的概述 PAGEREF _Toc260815954 h 17 HYPERLINK l _Toc260815955 液压位置伺服系统的方块图 PAGEREF _Toc260815955 h 17 HYPERLINK l _Toc260815956 精校机的液压位置伺服系统的设计 PAGEREF _Toc260815956 h 18 HYPERLINK l _Toc260815957 精校机的液压位置伺服系统原理与结构 PAGEREF _Toc260815957 h 18 HYPERLINK l _Toc260815958 3.

20、3.2 基本元件的选择 PAGEREF _Toc260815958 h 20 HYPERLINK l _Toc260815959 四通阀控单出杆液压缸的传递函数 PAGEREF _Toc260815959 h 20 HYPERLINK l _Toc260815960 传递函数的简化 PAGEREF _Toc260815960 h 22 HYPERLINK l _Toc260815961 3.3.2 系统传递函数的求解 PAGEREF _Toc260815961 h 24 HYPERLINK l _Toc260815962 电液位置伺服系统数学模型的建立和相应系统性能的分析 PAGEREF _T

21、oc260815962 h 25 HYPERLINK l _Toc260815963 负载为外力负载时精校机电液伺服系统的研究（当压头空载下行时） PAGEREF _Toc260815963 h 25 HYPERLINK l _Toc260815964 负载为惯性负载+弹性负载+外负载力时校直机电液伺服系统的研究（压头下压工件时） PAGEREF _Toc260815964 h 27 HYPERLINK l _Toc260815965 本章小结 PAGEREF _Toc260815965 h 29 HYPERLINK l _Toc260815966 第四章 基于专家整定PID控制系统的精校机液

22、压位置伺服系统控制器的设计及仿真研究 PAGEREF _Toc260815966 h 30 HYPERLINK l _Toc260815967 产生式规则表示法 PAGEREF _Toc260815967 h 30 HYPERLINK l _Toc260815968 专家整定PID控制器的设计 PAGEREF _Toc260815968 h 32 HYPERLINK l _Toc260815969 专家整定PID控制器的结构以及性能指标 PAGEREF _Toc260815969 h 32 HYPERLINK l _Toc260815970 传统PID控制的介绍 PAGEREF _Toc260

23、815970 h 34 HYPERLINK l _Toc260815971 专家整定PID控制器规则库的建立和推理过程 PAGEREF _Toc260815971 h 35 HYPERLINK l _Toc260815972 专家整定PID控制器的仿真 PAGEREF _Toc260815972 h 39 HYPERLINK l _Toc260815973 4.3.1 MATLAB仿真环境介绍 PAGEREF _Toc260815973 h 39 HYPERLINK l _Toc260815974 专家整定PID控制器的仿真 PAGEREF _Toc260815974 h 41 HYPERLI

24、NK l _Toc260815975 专家整定PID控制器仿真的总结 PAGEREF _Toc260815975 h 45 HYPERLINK l _Toc260815976 本章小结 PAGEREF _Toc260815976 h 45 HYPERLINK l _Toc260815977 第五章 基于专家整定PID控制器在精校机液压位置伺服系统上的实验验证 PAGEREF _Toc260815977 h 46 HYPERLINK l _Toc260815978 5.1 控制器需要达到的控制效果 PAGEREF _Toc260815978 h 46 HYPERLINK l _Toc260815

25、979 实验的原理 PAGEREF _Toc260815979 h 46 HYPERLINK l _Toc260815980 5.3 实验的结果分析 PAGEREF _Toc260815980 h 47 HYPERLINK l _Toc260815981 5.4 本章小结 PAGEREF _Toc260815981 h 47 HYPERLINK l _Toc260815982 第六章 论文总结与工作展望 PAGEREF _Toc260815982 h 48 HYPERLINK l _Toc260815983 论文总结 PAGEREF _Toc260815983 h 48 HYPERLINK l

26、 _Toc260815984 论文的不足和展望 PAGEREF _Toc260815984 h 49 HYPERLINK l _Toc260815985 专家整定PID控制器的不足 PAGEREF _Toc260815985 h 49 HYPERLINK l _Toc260815986 6.2.2 今后在此方面的展望 PAGEREF _Toc260815986 h 49 HYPERLINK l _Toc260815987 参考文献 PAGEREF _Toc260815987 h 50 HYPERLINK l _Toc260815988 发表论文情况 PAGEREF _Toc260815988

27、h 52插图清单 TOC h z t 样式4 c HYPERLINK l _Toc259638345 图1-1 专家系统的结构图 PAGEREF _Toc259638345 h 4 HYPERLINK l _Toc259638346 图2-1专家控制系统的典型结构 PAGEREF _Toc259638346 h 7 HYPERLINK l _Toc259638347 图2-2工业专家控制器的结构 PAGEREF _Toc259638347 h 9 HYPERLINK l _Toc259638348 图2-3典型间接专家控制系统的结构 PAGEREF _Toc259638348 h 10 HYP

28、ERLINK l _Toc259638349 图2-4专家控制器的结构 PAGEREF _Toc259638349 h 11 HYPERLINK l _Toc259638350 图3-1精校机液压位置伺服系统的方块图 PAGEREF _Toc259638350 h 18 HYPERLINK l _Toc259638351 图3-2 精校机液压伺服系统原理图 PAGEREF _Toc259638351 h 19 HYPERLINK l _Toc259638352 图3-3 四通阀控单出杆液压缸模型 PAGEREF _Toc259638352 h 21 HYPERLINK l _Toc259638

29、353 图3-4 =10时系统的伯德图 PAGEREF _Toc259638353 h 26 HYPERLINK l _Toc259638354 图3-5 =10时的单位阶跃响应曲线 PAGEREF _Toc259638354 h 26 HYPERLINK l _Toc259638355 图 3-6 系统闭环传递函数的伯德图 PAGEREF _Toc259638355 h 27 HYPERLINK l _Toc259638356 图3-7 =300000时系统的开环Bode图 PAGEREF _Toc259638356 h 28 HYPERLINK l _Toc259638357 图3-8 =

30、300000时的单位阶跃响应曲线 PAGEREF _Toc259638357 h 28 HYPERLINK l _Toc259638358 图3-9 系统闭环传递函数的伯德图 PAGEREF _Toc259638358 h 29 HYPERLINK l _Toc259638359 图4-1产生式系统的结构成关系 PAGEREF _Toc259638359 h 31 HYPERLINK l _Toc259638360 图4-2 专家整定PID控制器的结构图 PAGEREF _Toc259638360 h 33 HYPERLINK l _Toc259638361 图4-3 PID控制器的原理图 P

31、AGEREF _Toc259638361 h 35 HYPERLINK l _Toc259638362 图4-4 利用规则二修正PID参数前后系统的仿真图 PAGEREF _Toc259638362 h 36 HYPERLINK l _Toc259638363 图4-5 利用规则三修正PID参数前后系统的仿真图 PAGEREF _Toc259638363 h 36 HYPERLINK l _Toc259638364 图4-6 利用规则四修正PID参数前后系统的仿真图 PAGEREF _Toc259638364 h 37 HYPERLINK l _Toc259638365 图4-7 利用规则六修

32、正PID参数前后系统的仿真图 PAGEREF _Toc259638365 h 37 HYPERLINK l _Toc259638366 图4-8 利用规则七修正PID参数前后系统的仿真图 PAGEREF _Toc259638366 h 38 HYPERLINK l _Toc259638367 图4-9 传统PID控制器在压头空载下行时的仿真图 PAGEREF _Toc259638367 h 40 HYPERLINK l _Toc259638368 图4-10 专家整定PID控制器在压头空载下行时的仿真图 PAGEREF _Toc259638368 h 41 HYPERLINK l _Toc25

33、9638369 图4-11 修改系数后的专家整定PID控制器在空载时的仿真图 PAGEREF _Toc259638369 h 42 HYPERLINK l _Toc259638370 图4-12专家整定PID控制器、传统PID控制器和常规模糊控制器在空载下行时的仿真的比较图 PAGEREF _Toc259638370 h 42 HYPERLINK l _Toc259638371 图4-13 专家整定PID控制器在下压工件时的仿真图 PAGEREF _Toc259638371 h 43 HYPERLINK l _Toc259638372 图4-14 传统PID控制器在下压工件时的仿真图 PAGE

34、REF _Toc259638372 h 44 HYPERLINK l _Toc259638373 图 5-1 实验结构图 PAGEREF _Toc259638373 h 46列表清单 TOC h z t 样式3 c HYPERLINK l _Toc259347867 表3-1 液压位置伺服系统设计参数 PAGEREF _Toc259347867 h 24 HYPERLINK l _Toc259347868 表5-1 实验数据表 PAGEREF _Toc259347868 h 47第一章绪论精校机是轴类零件生产的重要的数控液压校直设备，该设备校直精度的高低取决于控制系统，所以需要对精校机的控制系

35、统有一个全面的了解，并且用适当的手段对其控制方法不断的改进，以提高生产效率和加工精度。在传统的控制领域，PID控制长久以来都占据着主导的地位。由于PID控制器的结构比较简单，控制也比较方便，对模型误差具有鲁棒性等优点，因此被广大用户广泛的使用。但是当控制对象的非线性、时变性比较明显而且难以建立精确的数学模型时，PID控制的控制效果就会不理想，这是由于上述原因会造成参数调整不合理，从而导致系统产生一个比较大的超调量，更严重的有时还会使系统不停的震荡。所以，有待于把传统的PID控制器进行改进。近年来，由于专家系统的迅速发展，它被越来越多的应用于各种场合，当然在控制领域也有了它的一席之地。从专家系统

36、中引出的专家控制系统具有控制过程时间短和控制较为精确等优点，因此把专家控制系统应用于工业生产中就显得非常有实际意义。 精密校直机的研究现状国外自动校直机的现状二十世纪七十年代在生产制造业中出现了自动控制精校机的概念，十年之后，有一些国家开始成立专门的机构来研究开发精校机，有几个国家取得了很不错的成果：日本在二战后工业迅速的发展起来，在校直机方面也做的相当的有特色。该国的精机株式会社所研发的校直设备在全世界拥有广泛的客户，由精机株式会社所研发的系列设备可以根据轴的不同轴径、不同材料、不同的热处理进行校直，而且可以把校直的数据存储起来建立自己的数据库，以便不断的改进校直方法。在精校机的研发方面，意

37、大利的GALDABINI公司是最早起步的，可以说该公司精校机的技术含量也是最高的。上个世纪七十年代意大利研制开发了世界上第一台自动校直机，经过多年的不断改进，他们的精校机已经达到了一个相对完美的高度。由ALDABINI公司研制的精校机采用了可以提高校直速度的C型机身，这种型号的精校机使用了单压头和单移动工作台的结构，设备用PLC系统进行控制，使精校机的控制精度大为提高，而且设备应用了LIN90型系统，这种系统开启人机对话功能，从而使校直的效率大为提高。德国的MAE公司也研制开发精校机，到目前为止，这个公司开发了型250KN和ADSF63RH型630KN两种比较知名的闭式全自动液压系列校直机，这

38、两种型号的校直机从力学的角度出发，采用三点弯曲力学加载模式，使校直的精度大为改观，而且在校直过程中融化了优化的思想，即：在每次校直完成之后，系统会自动的检测残余的跳动量，若是还未达到理想的校直效果，则继续的校直，直到满足要求为止。德国的MULLERWEINGARTEN公司开发出了极具特色的RRE系列全自动液压校直机，这种系列校直机的机身采用的是闭式组合结构，工件的回转和加紧不再有人为的控制，而采用电子系统控制，从而使控制的过程更具自动化。此外，美国的EITEL公司所研发的精校机也极具竞争的能力，这种校直机最特色的就是安装有先进的裂纹检测装置，能够减少由于校直量过大而引发的零件断裂的现象。国内自

39、动校直设备发展现状我国在精校机的研发方面起步比较晚，生产技术相对于上述的几个发达国检来讲也比较落后，但是也取得了比较不错的成绩。国内最早开始关注精校机的是合肥工业大学， 1989年合肥工业大学自主研制的国内第一台手动校直液压机，从而标志着我国已有能力自主开发发精校机产品。此后，经过不断的技术改革，合肥工业大学又开发了一系列手动伺服精校机产品，并随后制造出成品，从而应用于国内各大企业来代替进口产品。2001年，该学校的研发成果又上了一个新的台阶，这一年研制出YH40-25全自动精密校直液压机，这种型号的精校机具有具有先进技术水平，由半自动进入到了全自动的时代。2006年，合肥工业大学为重庆潍柴公

40、司研制开发了曲轴自动校直机，这种型号的校直机是校直能力是比较大的，它能够校直长为，直径可达为152mm的曲轴，而且校直精度也很不错，经过校直机校直后的主轴精度可达到，相邻两主轴颈相差不超过，使曲轴的合格率大有提升。除了合肥工业大学之外，长春试验机研究所从1994年起也开始生产轴类校直机设备，到现在为止已形成了自己的定型产品，但是，该研究所产品的主要技术还要依赖于日本KOK公司。另外，山东通裕集团股份在研制精校机方面也有新的突破，该公司研制的25MN数控校直液压机经鉴定已经达到了国际领先的水平，这种校直机的使用范围比较广泛，既可以进行简单的校直，也可以进行精校。总而言之，不管是国外还是国内，精密

41、校直机的研究开发正在不断的受到重视，精校机正在向着精度高、校直效果好、自动化的方向发展。专家系统概述和发展史 专家系统（Expert System，简称ES）是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一，客观上讲专家系统是一个智能计算机程序系统，它的内部包含着某个领域专家或者工程师的知识和经验，并能够利用这些知识来解决人类所遇到的该领域的问题。换句话说，专家系统是一个具有大量专门知识和经验的程序系统，它通过计算机技术，根据某一领域的专家提供的知识和经验，模拟人类专家的决策过程，来解决普通人所遇到的复杂问题。一句话，专家系统是一种设计用来对人类专家的问题求解能力建模的计算机程。专家系统是在关于人类

42、智能的研究处于低潮的时候被提出来的，由于它的出现以及所显示出来的巨大潜能，使人类智能领域进入到了一个新的时代。它的发展大致可以分为四个阶。(1)的研制为专家系统的产生奠定了初步的基础。(2)产生期（20世纪60年代后期70年代初期）：在这个时期斯坦福大学的E.A.Feigenbaum教授等人进行了Dendral系统的研究。Dendral系统的出现，标志着人工智能系统中一个新的应用领域专家系统的诞生。(3)成熟期（20世纪70年代初80年代初）：随着一批成功应用的专家系统的出现，关于专家系统通用性研究的骨架系统和通用表示语言的思想开始形成。在此期间一些比较经典的ES系统屡屡问世，特别是MYCIN

43、和HEARSAY着两种专家系统，它们为专家系统的进一步开发奠定了坚实的基础。1977年,在第五届国际人工智能大会上E.A.Feigenbaum教授对专家系统的思想做了重要的总结，提出了知识工程的概念，从此专家系统技术已经基本上成熟起来。(4)发展期（20世纪80年代初今）：20世纪80年代以来，专家系统的研制开发开始趋于商业化，直接服务于生产企业，并且产生了明显的经济效益。例如DEC公司与卡内基-梅隆大学合作开发的专家系统XCON，该系统用于为VAX计算机系统制定硬件配置方案，节约资金近一亿美元；IBM公司为3380磁盘驱动器建立了相应的专家系统，创造的利润达到了1200万美元。总之，在巨大的

44、商业利益的刺激下，专家系统的发展将会越来越快。值得一提的是，虽然我国在专家系统方面起步较晚，但也取得了不错的成绩。例如，中国科学院合肥智能机械研究所开发的施肥专家系统、浙江大学开发的服装剪裁专家系统、北京中医学院开发的肝病诊断专家系统等都取得了明显的经济效益。它们对推动专家系统在我国的发展都起到了重要的作用。专家系统在40多年的发展过程中取得了长足的进步，随着人工智能的深入研究，专家系统的开发技术也在趋于完善。此外，人们还开展了对专家系统开发工具的研究，建立了不同种类、不同功能的开发工具，从上个世纪70年代的解释型和疾病诊断型专家系统到现在的设计型、规划型、控制型等，专家系统的种类将会越来越多

45、，它们为缩短专家系统的研制周期，提高专家系统的质量都起到了重要的作用。当然，专家系统在其发展过程中也还存在着不少有待解决的问题。例如，知识的完备性问题、知识的自动提取问题、知识的表示与完全利用问题等等。这些问题需要我们进一步学习研究，同时还依赖于与其它人工智能的领域共同发展。1.3 专家系统的结构及其原理 专家系统的结构专家系统的结构如下图1-1所示：它包括知识库、数据库、推理机、解释器等几个部。(1)知识库知识库是用来存取所获取的专家或者工程师的知识和经验，以供推理机使用，同时它具有知识存取、检索、修改、扩充等一系列功能。(2)数据库数据库是用以存放推理过程中的信息，包括中间假设和中间结果。

46、(3)推理机推理机用于利用所获取的知识进行推理，求解遇到的问题，同时它具有启发推理、算法推理；正向、反向或者双向推理；串行或者并行推理等功能。(4)解释器解释器是用来向用户解释系统所做的行为，包括：1)咨询理解。首先对用户的提问进行消化“理解”，具体做法是将用户的提问转换为推理机可接受的信息。2)结论解释。向用户输出最后的结论，并且根据用户的需要对结论进行解释。(5)知识获取器知识获取是专家系统与专家的“界面”。知识库中的知识一般是通过人为的方法获取，“界面”就是人类工程师，采用“专题面谈的方法获取知识，经过整理后，再输入知识库。 专家知识人机接口（界面）知识获取器解释器推理机数据库知识库图1

47、-1 专家系统的结构图 专家系统的原理如前所说，专家系统就是一种智能化的计算机程序系统，要想使专家系统具有或者接近人类工程师的能力，它必须具有以下几个特：(1)具有启发性专家系统的根本任务是解决领域中的现实问题，所以专家系统必须能够利用当前的知识进行推理、判断和决策。在人类所遇到的问题中，大部分问题只能靠推理进行思考，用经验进行判断，这就要求计算机要具有启发性的知识。这是专家系统的最重要的特征。(2)具有专家水平的专门知识如果一个专家系统能够像人类专家那样的工作，就必须具有专家的知识,知识越多，解决问题的能力就越强。(3)可以获取知识专家系统的基础是知识，为了得到知识就需要有获取知识的能力，专

48、家系统本身具有学习能力，能从系统运行的实践中不断的总结出新知识，是知识库中的知识更加完善。(4)能进行有效的推理问题的求解过程是一个思维过程，即推理过程。这就要求专家系统具有相应的推理机制，能根据用户提供的已知事实，运用掌握的知识，进行有效的推理，以实现对问题的求解。(5)具有透明性专家系统必须要让用户了解其系统本身，这样给出的结果才能被用户多理解。用户在应用专家系统求解问题时，不仅想得到正确的答案，而且还希望知道怎么得出这个答案的。所以系统需要具有透明性。(6)具有灵活性专家系统必须能不断的学习新知识，修改或者完善原有知识，不断的更新，以适应更加复杂的问题。(7)具有交互性专家系统一般都是交

49、互性的系统。一方面，它需要与领域专家进行对话以获取知识：另一方面，它也需要与用户进行沟通以获取求解问题时的已知事实。(8)具有实用性专家系统是根据具体的问题而开发设计的，故而它具有坚实的应用性。本文主要针对YH40-63精校机液压位置伺服系统进行研究，该系统是典型的非线性时变系统；针对这种情况，设计了专家整定PID控制器来代替原有的PID控制器对系统进行控制，并通过方针和实验的方式验证了控制效果。现将各章的任务介绍如下：第一章绪论部分主要介绍了专家系统的基本概念以及精校机的国内外发展概况，同时阐述了本课题的研究内容，第二章详细介绍了专家控制系统的理论基础，包括专家控制系统的工作原理、结构以及类

50、型等。第三章首先对精校机的液压位置伺服系统的工作原理及其工作过程做了介绍，接下来根据实际的需要设计了精校机的液压位置伺服系统，建立起相应的数学模型，并分两种情况研究了该系统的静动态特性。由于控制的最终对象是精校机的压头，控制的最好效果是工件的校直量与压头下压的数值越接近越好。为了达到这种效果，在第四章为液压位置伺服系统设计了专家整定PID控制器，由于这种控制器是基于规则的控制器，设计的核心是控制器知识库的建立，因此在本章中通过仿真总结的方法建立起知识库，完成专家整定PID控制器的设计，并通过simulink工具箱对该控制器的控制效果进行仿真研究。本文的第五章，把这种控制器应用在YH40-63精

51、校机中进行实际试验，得出数据，验证实际效果。第六章为总结全文和展望，概述了本文的核心内容并对以后的工作加以展望。第二章 专家控制系统的理论及专家整定PID控制器专家控制系统（ECS，Expert Control System）是一种已经用于各种工业过程控制和工业设计的智能控制系统。它于1983年被瑞典学者K.J.Astrom首次引入智能控制领域，形成了一种新的智能控制方法。一般的说，应用专家系统的概念和技术，模拟人类专家的控制知识与经验而建造的控制系统，称为专家控制系统。专家控制系统虽然引入了专家系统的概念，但是两者之间有很多不：(1)专家系统只是对用户的问题完成咨询作用，协助用户进行当前的工

52、作：而专家控制系统能进行独立的、实时的自动控制决策，它的推理结果可以变成知识规则，或者成为某些解析算法。因此可见，专家控制系统比专家系统对系统的可靠性和干扰性有更高的要求。(2)专家系统一般处于离线工作的方式，而专家控制系统要求在线获取当时的动态信息。 专家控制系统的结构控制知识人机界面操作者知识管理库知识库信息获取与处理A/D传感器控制对象D/A实时推理机动态数据库控制算法库数据接口图2-1专家控制系统的典型结构(一)专家控制系统的典型结构一个典型的专家控制系统的结构如上图2-1所示，它包括几方面不可缺少的部：(1)知识库 知识库是由事实和有关经验数据、经验公式、总结的规则等构成。事实包括对

53、象的有关知识。经验数据包括对象的参数的调整范围、传感器的特性、系统的误差、执行机构的有关特征、控制系统的性能指标，以及由控制专家给出的经验公式等。控制规则有自适应、自学习、参数自调整等方面的规则。(2)实时推理机能够根据所设定的推理策略，从知识库中选择需要的知识，同时对专家提供的控制算法和实时采集的系统特性数据进行处理，得出推理后的最佳控制决策。(3) 控制算法库它是用来存放控制方法和控制策略的，是直接基本控制方法集。(4) 信息获取与处理信息获取一般是通过闭环控制系统所反馈得信息以及系统的输入信息，从而获取系统的误差和误差变化量。(5)动态数据库用来存放系统在推理过程中所用到的数据、中间结果

54、、实时采集和处理的数据。(6)接口部分接口部分包括系统与专家控制器的信息交换的输入输出通道和运行系统时控制器与用户交互对话的接口，以及更新知识库时进行编辑和修改的应用程序接口。(二)专家控制系统的两种基本结构除了上述所说的专家控制系统的典型结构之外，专家控制系统还有两种基本的结构形。一种是黑板专家控制系统，另一种是工业专家控制器。(1)黑板专家控制系统黑板结构是一种功能强大的专家系统结构和问题求解模型，它可以处理不同的知识，以求解问题。黑板结构有以下几个部分组成：黑板（BB），调度器和独立的知识源（KS）。黑板是共用的数据区；知识源用于存储各种的知识；调度器用于控制。整个黑板系统为组织知识和知

55、识源之间的合作提供了一种合适的工具。黑板系统最重要的优点是具备有综合各种不同的知识表示和推理技术以及知识表达的灵活性。(2)工业专家控制器工业专家控制器的结构图如下所：特征识别与信息处理推理机控制规则集被控对象知识库传感器ReSSTIGUC图2-2工业专家控制器的结构工业专家控制器（EC）以知识库（KB）为基础，由学习与适应装置（LA）和经验数据库（DB）组成。知识库用来存放工业过程控制的领域知识。经验数据库主要用于存储经验和事实。学习与适应装置的功能是根据在线获得的信息，修正或添加知识库的内容，以改进控制器的控制效果，从而提高控制器的求解能力。建立知识库的关键问题是如何把已知的知识进行正确合

56、理的表达。工业专家控制器的知识库一般用产生式规则的方式来建立，这种表示方式具有相当好的灵活性，规则之间是相互独立的，可以随时修改或者增添规则，从而可以使知识库的内容不断的增加及更新。专家控制系统的类型根据系统结构的复杂程度，可以把专家控制系统分为两种基本的类，一种是专家控制系统，另一种是专家控制器。以控制器在整个系统中的作用为基础，通常把专家控制系统分为直接专家系统和间接专家系统两种类型。(1)直接专家系统直接专家控制系统是用设计专家控制器代替原来的控制器，从而构成一种崭新的专家控制系统。在直接专家控制系统中，系统直接给出控制信号，影响被控过程，直接专家控制系统依据测量到的过程信号以及知识库中

57、的规则，导出每一采样时刻的控制信号。直接专家系统包含在控制回路中，每一个采样时刻都必须由专家系统给出控制信号，否则系统就不能正常工作。(2)间接专家系统在某些控制过程中，专家系统间接的对被控制信号起作用，这种系统被称作间接专家控制系统。基于知识的控制器既包括算法又包含逻辑，在这种情况下，系统本身自然的可以按算法和逻辑分离进行重新构造。系统的底层可以是PID、Fuzzy等知识算法，然后将这种算法配上自校正增益、自动调度以及监控等。系统根据某些用规则实现的启发性知识从而使不同功能算法都能正常运行。从这种思想出发而设计的专家控制系统被称作间接专家控制系统。一个典型的间接专家控制系统结构如下图所：用户

58、专家系统监控控制器激励辨识过程检测器R(t)U(t)+_+Y(t)图2-3典型间接专家控制系统的结构图上所示的控制系统中可以由一系列的控制算法和估计算法组成。专家控制器和常规的控制器相结合，组成一种新的对生产过程或者被控制对象进行间接控制的智能控制系统。专家系统可以用来协调所有的算法，并且能根据现场的环境条件和响应情况，利用知识库中的专家经验规则，决定什么时间使用什么参数启动什么算法。专家系统可以根据知识库中的专家规则，用来调整系统的参数和增益等，还能够调整控制器的结构。该控制器能够实现优化、适应、组织、协调等高层的智能控制。按照高层决策功能的性质，间接专家控制系统可以分为几个类：1)优化型专

59、家控制器：它是基于最优化控制专家知识和经验的总结和运用。通过设置整定值、优化控制参数或者控制器，实现控制器的静态或动态优化。2)适应型专家控制器：它是基于自适应控制专家的知识和经验的总结和运用。根据现场运行状态和测试数据，响应的调整控制规律，校正控制参数，修改整定值和控制器，适应生产过程、对象特性或者环境条件的漂移和变化。3)协调型专家控制器：它是基于协调控制专家和调度工程师的知识和经验的总结和运用。用以协调局部控制器和各子控制系统的运行，实现大系统的全局稳定和优化。4)组织型专家控制器：它是基于控制工程组织管理专家或者总设计师的知识和经验的总结和运用。用以组织各种常规的控制器，根据控制任务的

60、目标和要求，构成所需要的控制系统 间接型专家控制系统可以在线或者离线工作。而且它的结构形式也会越来越多，使用范围也会越来越广。(3)专家控制器的介绍专家控制器是构成专家控制系统的核心单，这里说的专家控制器指得是狭义的范畴，是构成直接专家系统的控制器或者间接专家系统的控制器。专家控制器主要包括数据获取环节、推理机、知识库、数据库、解释环节以及学习机等。结构如下图2-4所示：学习机数据库知识库推理机解释环节信息获取专家控制器系统接口系统接口人机接口图2-4专家控制器的结构数据库是由事实、经验数据、经验公式等组成，事实包含被控对象的有关知识，例如：结构、类型和特征等。经验数据，是指被控对象的参数变化