第3章自動(dòng)化控制技術(shù)3.1自動(dòng)控制技術(shù)概述3.2PID控制技術(shù)3.3模糊控制理淪3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)3.5先進(jìn)控制方法簡(jiǎn)介

3.1自動(dòng)控制技術(shù)概述3.1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成由圖3-1可以看出，一般自動(dòng)控制系統(tǒng)包括:(1)給定元件。由它調(diào)節(jié)給定信號(hào)(Ust)，以調(diào)節(jié)輸出量的大小，此處為給定電位器。

(2)檢測(cè)元件。由它檢測(cè)輸出量(如爐溫T)的大小，并反饋到輸入端。此外為熱電偶。

(3)比較環(huán)節(jié)。在此處反饋信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行疊加，信號(hào)的極性以“+”或“-”表示。若為負(fù)反饋，則兩信號(hào)極性相反。若極性相同，則為正反饋。

(4)放大元件。由于偏差信號(hào)一般很小，所以要經(jīng)過(guò)電壓放大和功率放大，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。此處為晶體管放大器或集成運(yùn)算放大器。

(5)執(zhí)行元件。是驅(qū)動(dòng)被控制對(duì)象的環(huán)節(jié)。此處為伺服電動(dòng)機(jī)、減速器和調(diào)壓器。

(6)控制對(duì)象。亦稱被調(diào)對(duì)象。在此恒溫系統(tǒng)中即為電爐。下一頁(yè)返回3.1自動(dòng)控制技術(shù)概述

(7)反饋環(huán)節(jié)。由它將輸出量引出，再回送到控制部分。一般的閉環(huán)系統(tǒng)中反饋環(huán)節(jié)包括檢測(cè)、分壓、濾波等單元，反饋信號(hào)與輸入信號(hào)極性相同則為正反饋相反，則為負(fù)反饋。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.1自動(dòng)控制技術(shù)概述3.1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和性能指標(biāo)

1.系統(tǒng)的穩(wěn)定性當(dāng)擾動(dòng)或給定值發(fā)生變化時(shí)，輸出量將會(huì)偏離原來(lái)的穩(wěn)定值，這時(shí)，由于反饋環(huán)節(jié)的作用，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的自動(dòng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可能回到(或接近)原來(lái)的穩(wěn)定值或跟隨給定值穩(wěn)定下來(lái)，這屬于穩(wěn)定系統(tǒng)，如圖3-3(a)所示。但也可能由于內(nèi)部的相互作用，使系統(tǒng)出現(xiàn)發(fā)散而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，成為不穩(wěn)定系統(tǒng)，如圖3-3(b)所示。顯然，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無(wú)法進(jìn)行工作的。因此，對(duì)任何自動(dòng)控制系統(tǒng)，首要的條件便是系統(tǒng)能穩(wěn)定正常運(yùn)行。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.1自動(dòng)控制技術(shù)概述2.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動(dòng)作用又重新平衡后，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度(或靜態(tài)精度)，它表明了系統(tǒng)的準(zhǔn)確程度。

3.系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)由于系統(tǒng)的對(duì)象和元件通常都具有一定的慣性(如機(jī)械慣性、電磁慣性、熱慣性等)，并且也由于能源功率的限制，系統(tǒng)中各種量值(如速度、位移、電流、溫度等)的變化不可能是突變的。因此，系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到新的穩(wěn)態(tài)都需要經(jīng)歷一段時(shí)間，即需要經(jīng)歷一個(gè)過(guò)渡過(guò)程。表征這個(gè)過(guò)渡過(guò)程性能的指標(biāo)叫做態(tài)指標(biāo)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.1自動(dòng)控制技術(shù)概述3.1.3開環(huán)控制和閉環(huán)控制

1.開環(huán)控制系統(tǒng)若系統(tǒng)的輸出量不被引回來(lái)對(duì)系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生影響，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。例如，一般洗衣機(jī)就是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。其浸濕、洗滌、漂清和脫水過(guò)程都是依設(shè)定的時(shí)間程序依次進(jìn)行的，而無(wú)需對(duì)輸出量(如衣服清潔程度、脫水程度等)進(jìn)行測(cè)量;又如普通機(jī)床的自動(dòng)加工過(guò)程，也是開環(huán)控制。它是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的加工指令(切削深度、行程距離)進(jìn)行加工的，而不去檢測(cè)其實(shí)際加工的程度。再如圖3-5所示的由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控加工機(jī)床，也是一個(gè)沒(méi)有反饋環(huán)節(jié)的開環(huán)控制系統(tǒng)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.1自動(dòng)控制技術(shù)概述

2.閉環(huán)控制系統(tǒng)若系統(tǒng)輸出量通過(guò)反饋環(huán)節(jié)返回來(lái)作用于控制部分，形成閉合環(huán)路，這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)或自動(dòng)控制系統(tǒng)。上一頁(yè)返回3.2PID控制技術(shù)

PID(ProportionalIntegralDifferential)控制是比例積分微分控制的簡(jiǎn)稱。在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。在20世紀(jì)40年代以前，除在最簡(jiǎn)單的情況下可采用開關(guān)控制外，它是唯一的控制方式。此后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是電子計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多先進(jìn)的控制方法。然而直到現(xiàn)在，PID控制由于它自身的優(yōu)點(diǎn)仍然是應(yīng)用最廣泛的基本控制方式，占整個(gè)工業(yè)過(guò)程控制算法的85%~90%

PID控制器根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用誤差的比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)的不同組合計(jì)算出控制量。圖3-6是常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理框圖。下一頁(yè)返回3.2PID控制技術(shù)其中廣義被控對(duì)象包括調(diào)節(jié)閥、被控對(duì)象和測(cè)量變送元件;虛線框內(nèi)部分是PID控制器，其輸入為設(shè)定值r(t)與被調(diào)量實(shí)測(cè)值y(t)構(gòu)成的控制偏差信號(hào)e(t)輸出為該偏差信號(hào)的比例、積分和微分的線性組合，也即PID控制律:下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.2PID控制技術(shù)3.2.1數(shù)字PID控制

1.數(shù)字PID的控制算法考慮式((3-2)所述的模擬PID控制算法，為將其離散化，首先將連續(xù)的時(shí)間t離散化為一系列采樣時(shí)刻點(diǎn)kT(k為采樣序號(hào)，T為采樣周期)，而后以求和取代積分，以向后差分取代微分，于是得離散化的PID控制算法:下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.2PID控制技術(shù)上式就是基本的數(shù)字PID算法。不難看出，基本的數(shù)字PID控制仍包含三個(gè)部分，比例部分，積分部分和微分部分。由于計(jì)算機(jī)輸出u(k)是直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的，u(k)的值與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置一一對(duì)應(yīng)，所以通常稱式(3一4)為位置式PID控制算法。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.2PID控制技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中，位置式PID控制算法會(huì)遇到一些問(wèn)題:由于計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)累加，所以過(guò)去的所有狀態(tài)均要保存，這無(wú)疑增大了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量和運(yùn)算的工作量;由于計(jì)算機(jī)輸出u(k)的直接對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，所以一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障使得u(k)大幅度變化，必會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅變化，而這在生產(chǎn)實(shí)踐中是不允許的，在某些場(chǎng)合甚至?xí)斐芍卮蟮纳a(chǎn)事故;有些執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如步進(jìn)電機(jī))要求控制器的輸出為增量形式，這些情況下位置式PID控制都不能使用，為此對(duì)位置式PID控制算法進(jìn)行改進(jìn)，引入增量式PID控制。所謂增量即兩個(gè)相鄰時(shí)刻控制輸出的絕對(duì)量之差。根據(jù)式((3-4)不難寫出u(k-1)的表達(dá)式，即下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.2PID控制技術(shù)用式(3-4)減去式((3一5)即得增量式PID控制算法:為編程方便，可將式(3-5)整理成如下形式下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.2PID控制技術(shù)圖3-7給出了增量式PID控制系統(tǒng)示意圖。2.數(shù)字PID參數(shù)的整定實(shí)際確定采樣周期(頻率)時(shí)主要考慮以下幾個(gè)方面。

(1)給定值的變化頻率。系統(tǒng)的給定值變化頻率越高，采樣頻率應(yīng)越高。這樣，給定值的改變可以迅速通過(guò)采樣得到反映。

(2)被控對(duì)象的特性。若被控對(duì)象是慢速的熱工或化工對(duì)象時(shí)，采樣周期一般取得較大;若被控對(duì)象是較快速的系統(tǒng)時(shí)，如機(jī)電系統(tǒng)，采樣周期應(yīng)取得較小。

(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型。若執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作慣性大，采樣周期也應(yīng)大一些，否則執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)不及反應(yīng)數(shù)字控制器輸出值的變化。如用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，采樣周期較小;用氣動(dòng)、液壓機(jī)構(gòu)時(shí)，采樣周期較大。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.2PID控制技術(shù)

(4)控制的回路數(shù)?？刂频幕芈窋?shù)n與采樣周期T有下列關(guān)系3.2.2智能PID控制方法

1.模糊PID控制自適應(yīng)PID控制通過(guò)在線辨識(shí)被控過(guò)程參數(shù)來(lái)實(shí)時(shí)整定控制參數(shù)，其控制效果的好壞取決于辨識(shí)模型的精確度，這對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困難的。而實(shí)際上，盡管有些系統(tǒng)非常復(fù)雜，操作人員仍有許多成功的經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行控制，人們自然就想到將這些經(jīng)驗(yàn)存人計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)進(jìn)而實(shí)時(shí)控制，于是就出現(xiàn)了模糊PID控制。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.2PID控制技術(shù)模糊控制和PID控制的結(jié)合形式有很多。圖3-8給出利用模糊推理自整定PID參數(shù)的一種實(shí)現(xiàn)方法。

2.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NeuralNetwork)模仿了人腦神經(jīng)系統(tǒng)的信息處理、存儲(chǔ)和檢索機(jī)制，是一種以簡(jiǎn)單計(jì)算處理單元(即神經(jīng)元)為節(jié)點(diǎn)，采用某種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的活性網(wǎng)絡(luò)，可以用來(lái)描述幾乎任意的非線性系統(tǒng);不僅如此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還具有學(xué)習(xí)能力、記憶能力、計(jì)算能力以及各種智能處理能力。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制相結(jié)合，將PID控制算法用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)來(lái)表達(dá)，就可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)機(jī)制對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而使PID控制能適應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程的變化，保證甚至優(yōu)化控制性能，圖3-10所示的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制即體現(xiàn)了這一思想。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.2PID控制技術(shù)3.專家智能自整定PID控制典型的專家智能自整定PID控制系統(tǒng)如圖3-11所示。專家系統(tǒng)包含了專家知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和邏輯推理機(jī)三個(gè)部分。此處的專家系統(tǒng)可視為廣義調(diào)節(jié)器，專家知識(shí)庫(kù)中已經(jīng)把熟練操作工或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)和知識(shí)構(gòu)成PID參數(shù)選擇手冊(cè)，這部手冊(cè)記載了各種工況下被控對(duì)象特性所對(duì)應(yīng)的P,I,D參數(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)將被控對(duì)象的輸入與輸出信號(hào)及給定信號(hào)提供給知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)。推理機(jī)能進(jìn)行啟發(fā)式推理，決定控制策略。優(yōu)秀的專家系統(tǒng)可對(duì)已有知識(shí)和規(guī)則進(jìn)行學(xué)習(xí)和修正，這樣對(duì)被控過(guò)程對(duì)象的知識(shí)了解可大大降低，僅根據(jù)輸入、輸出信息，就能實(shí)現(xiàn)智能自整定控制。上一頁(yè)返回3.3模糊控制理論所謂“模糊”，其意思是指客觀事物彼此間的差異在中間過(guò)渡時(shí)，界限不分明。比如，我們說(shuō)“天氣熱”，那么氣溫到底多少度才算“熱”?顯然，沒(méi)有明確的界限，這種概念稱之為模糊概念?？诔Ｉ钪泻蜕a(chǎn)實(shí)踐中，存在著大量的模糊現(xiàn)象，以精確性為主要特點(diǎn)的經(jīng)典數(shù)學(xué)，對(duì)于這類問(wèn)題是無(wú)能為力的，而這類問(wèn)題，正是模糊數(shù)學(xué)的用武之地。3.3.1模糊集合的基本概念模糊數(shù)學(xué)是用精確的數(shù)學(xué)方法來(lái)描述模糊現(xiàn)象的數(shù)學(xué)。在模糊數(shù)學(xué)中，用模糊集合來(lái)表征模糊現(xiàn)象。普通集合的特征函數(shù)只有2個(gè)值:1或0，分別表示元素屬于或不屬于某集合。而模糊集合的特征函數(shù)可以在[0,1」區(qū)間內(nèi)連續(xù)取值。下一頁(yè)返回3.3模糊控制理論模糊集合的表示方法有:(1)當(dāng)模糊集合中的元素為有限個(gè)時(shí)，模糊集合可以表示為令zadeh表示法向量表示發(fā)序偶表示法下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.3模糊控制理論(2)當(dāng)模糊集合中的元素為無(wú)窮多個(gè)時(shí)，模糊集合可用Zadeh表示法表示為3.3.2模糊推理

1.模糊語(yǔ)言算子模糊語(yǔ)言是用來(lái)表達(dá)一定淪域上的模糊集合，其任務(wù)是對(duì)人類語(yǔ)言進(jìn)行定量化。模糊語(yǔ)言算子是指一類加強(qiáng)或削弱模糊語(yǔ)言表達(dá)程度的同。如“特別”“很”“相當(dāng)”等，可加在其他模糊同的前面進(jìn)行修飾。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.3模糊控制理論

2.模糊推理推理是由已知判斷獲得另一個(gè)新判斷的思維過(guò)程。其中的已知判斷稱為前提，新判斷稱為結(jié)淪。判斷句與推理句:①判斷句型為“u是a”;②推理句型為“若u是a，則u是b”。以上u為研究對(duì)象(論域中的元素),a和b為概念同或概念同組。當(dāng)a和b的概念為模糊集合時(shí)，則為模糊推理語(yǔ)句。模糊條件推理，模糊條件推理語(yǔ)句可用模糊關(guān)系表示。設(shè)A是淪域X上的模糊子集，B和C是Y上的模糊子集，若條件推理語(yǔ)句為“若A則B，否則C”則該條件推理語(yǔ)句可用模糊關(guān)系表示為下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.3模糊控制理論上式所表示的R中的元素可按下式求得:3.3.3模糊控制器原理及設(shè)計(jì)模糊控制首先根據(jù)人的思維方式，總結(jié)人的操作經(jīng)驗(yàn)，然后用模糊語(yǔ)言和一系列的模糊條件語(yǔ)句，描述控制策略(控制規(guī)則)，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ媚K實(shí)現(xiàn)這些規(guī)則，完成控制作用。模糊控制的設(shè)計(jì)不依賴于被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型。模糊控制系統(tǒng)的組成如圖3-12所示。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.3模糊控制理論1.模糊控制原理圖3-13是一個(gè)二維模糊控制系統(tǒng)的示意圖。

2.模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)出模糊控制器。由圖3-13可知，模糊控制器由三部分組成:模糊化處理，模糊控制算法器(包含模糊規(guī)則和模糊推理決策)和非模糊化處理。下面以二維模糊控制器為例，詳細(xì)介紹模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟。一般說(shuō)來(lái)，設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制系統(tǒng)包括:模糊系統(tǒng)中個(gè)模糊概念的確定;輸入精確量的模糊化;模糊控制算和模糊控制規(guī)則的確定;控制量的非模糊化處理和模糊控制查詢表的生成共5個(gè)環(huán)節(jié)。上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)3.4.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成將模擬式自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，就組成了一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如圖3-15所示。因此，簡(jiǎn)單地說(shuō)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是采用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中引入計(jì)算機(jī)，可以充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務(wù)。在系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，因而給定值和反饋量要先經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入計(jì)算機(jī)。當(dāng)計(jì)算機(jī)接收了給定量和反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算(如PID運(yùn)算)，計(jì)算結(jié)果(數(shù)字信號(hào))再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬控制信號(hào)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，便完成了對(duì)系統(tǒng)的控制作用。

下一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可用圖3一16來(lái)示意，它可分為硬件和軟件兩大部分。硬件是指計(jì)算機(jī)本身及其外圍設(shè)備，一般包括中央處理器、內(nèi)存儲(chǔ)器、磁盤驅(qū)動(dòng)器、各種接口電路、以A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換為核心的模擬量I/O通道、數(shù)字量I/O通道以及各種顯示、記錄設(shè)備、運(yùn)行操作臺(tái)等。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)3.4.2計(jì)算機(jī)在控制中的應(yīng)用方式

1.操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)如圖3-17所示，在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸出不直接用來(lái)控制生產(chǎn)對(duì)象。計(jì)算機(jī)只是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行采集，然后根據(jù)一定的控制算法計(jì)算出供操作人員參考、選擇的操作方案和最佳設(shè)定值等，操作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)的輸出信息去改變調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，或者根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的控制量執(zhí)行相應(yīng)的操作。操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活安全，特別適用于未摸清控制規(guī)律的系統(tǒng)，常常被用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研制的初級(jí)階段，或用于試驗(yàn)新的數(shù)學(xué)模型和調(diào)試新的控制程序等。由于最終需人工操作，故不適用于快速過(guò)程的控制。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制DDC(DirectDigitalControl)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用于工業(yè)過(guò)程控制最普遍的一種方式，其結(jié)構(gòu)如圖3-18所示。計(jì)算機(jī)通過(guò)輸入通道對(duì)一個(gè)或多個(gè)物理量進(jìn)行巡回檢測(cè)，并根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，然后發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(SCC)

在監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制(SupervisoryComputerControl)系統(tǒng)中yl_算機(jī)根據(jù)工藝參數(shù)和過(guò)程參量檢測(cè)值，按照所設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出最佳設(shè)定值直接傳送給常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器或者DCC計(jì)算機(jī)，最后由模擬調(diào)節(jié)器或SCC計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過(guò)程。SCC系統(tǒng)有兩種類型，一種是SCC+模擬調(diào)節(jié)器，另一種是SCC+DCC控制系統(tǒng)。監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖3-19所示。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

4.分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中既存在控制問(wèn)題，也存在大量的管理問(wèn)題。同時(shí)，設(shè)備一般分布在不同的區(qū)域，其中各工序，各設(shè)備同時(shí)并行地工作，基本相互獨(dú)立，故全系統(tǒng)是比較復(fù)雜的。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是功能分散，用多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別執(zhí)行不同的控制功能，既能進(jìn)行控制又能實(shí)現(xiàn)管理。圖3-20是一個(gè)四級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其中過(guò)程控制級(jí)為最底層，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行直接數(shù)字控制;車間管理級(jí)負(fù)責(zé)本車間各設(shè)備間的協(xié)調(diào)管理;工廠管理級(jí)負(fù)責(zé)全廠各車間生產(chǎn)協(xié)調(diào)，包括安排生產(chǎn)計(jì)劃、備品備件等;企業(yè)(公司)管理級(jí)負(fù)責(zé)總的協(xié)調(diào)，安排總生產(chǎn)計(jì)劃，進(jìn)行企業(yè)(公司)經(jīng)營(yíng)方向的決策等。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)3.4.3工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算機(jī)，它是處理來(lái)自檢測(cè)傳感器的輸入信息，并把處理結(jié)果輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過(guò)程，同時(shí)可對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)督、管理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。應(yīng)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)主要有單片微型計(jì)算機(jī)、可編程序控制器(PLC)、總線工控機(jī)等類型。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的應(yīng)用對(duì)象及使用環(huán)境的特殊性，決定了工業(yè)控制機(jī)主要有以下一些特點(diǎn)和要求。

1.實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能在限定的時(shí)間內(nèi)對(duì)外來(lái)事件做出反應(yīng)的能力。為滿足實(shí)時(shí)控制要求，通常既要求從信息采集到生產(chǎn)設(shè)備受到控制作用的時(shí)間盡可能短，又要求系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)的各種工藝參數(shù)，并進(jìn)行在線修正，對(duì)緊急事故能及時(shí)處理。因此，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)具有較完善的中斷處理系統(tǒng)以及快速信號(hào)通道。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

2.高可靠性工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通?？刂浦I(yè)過(guò)程的運(yùn)行，如果其質(zhì)量不高，運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障，又沒(méi)有相應(yīng)的冗余措施，則輕者使生產(chǎn)停頓，重者可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。很多生產(chǎn)過(guò)程是口夜不停地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此要求與這些過(guò)程相連的工業(yè)控制機(jī)也必須無(wú)故障地連續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的正確控制。另外，許多用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制機(jī)，環(huán)境惡劣，振動(dòng)、沖擊、噪聲、高頻輻射及電磁波干擾往往I一分嚴(yán)重，以上這一切都要求工業(yè)控制計(jì)算機(jī)具有高質(zhì)量和很強(qiáng)的抗干擾能力，并且具有較長(zhǎng)的平均無(wú)故障間隔時(shí)間。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)3.硬件配置的可裝配可擴(kuò)充性工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的使用場(chǎng)合千差萬(wàn)別，系統(tǒng)性能、容量要求、處理速度等都不一樣，特別是與現(xiàn)場(chǎng)相連接的外圍設(shè)備的接口種類、數(shù)量等差別更大，因此宜采用模塊化設(shè)計(jì)方法。

4.可維護(hù)性工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)有很好的可維護(hù)性，這要求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，便于維修，系統(tǒng)使用的板級(jí)產(chǎn)品一致性好，更換模板后，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和精度不受影響;軟件和硬件的診斷功能強(qiáng)，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能快速準(zhǔn)確地定位。另外，模塊化模板上的信號(hào)應(yīng)加上隔離措施，保證發(fā)生故障時(shí)故障不會(huì)擴(kuò)散，這也使故障定位變得容易。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)3.4.3.1單片微型計(jì)算機(jī)單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱為單片機(jī)，它是將CPU,RAM,ROM和I/O接口集成在一塊芯片上，同時(shí)還具有定時(shí)/計(jì)數(shù)、通信和中斷等功能的微型計(jì)算機(jī)。自1976年Intel公司首片單片機(jī)問(wèn)世以來(lái)，隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的CPU依次出現(xiàn)了8位和16位機(jī)型，并使運(yùn)行速度、存儲(chǔ)器容量和集成度不斷提高?，F(xiàn)在比較常用的單片機(jī)一般具有數(shù)十KB的閃存、16位的A/D及看門狗等功能，而各種滿足專門需要的單片機(jī)也可由生產(chǎn)廠家定做。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

1.MCS-51單片機(jī)系列

MCS51系列是市場(chǎng)上應(yīng)用最普遍的機(jī)型。它具有強(qiáng)大的存儲(chǔ)器擴(kuò)展能力、豐富的指令系統(tǒng)和配置了較多的實(shí)用功能。MCS51單片機(jī)是8位的單片機(jī)，該系列包括有8031,8051,8751,2051,89051等多種機(jī)型。

2.MCS-96單片機(jī)系列

MCS96系列是16位單片機(jī)，適用于高速控制和復(fù)雜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，硬件和指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上較8位機(jī)有很多不同之處。MCS96單片機(jī)系列主要有8096,8094,8396,8394,8796等多種機(jī)型。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)3.4.3.2可編程序邏輯控制器(PLC)1.PLC的組成原理(1)CPU。與通用微機(jī)CPU一樣，它按PC系統(tǒng)程序的要求，接收并存儲(chǔ)從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù);用掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入輸入狀態(tài)表或數(shù)據(jù)寄存器中;診斷電源、內(nèi)部電路的故障和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。PC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器逐條讀入用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制輸出，去啟動(dòng)有關(guān)的控制門電路，分時(shí)、分渠道地執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較和變換等工作;完成用戶程序規(guī)定的邏輯和算術(shù)運(yùn)算等任務(wù);根據(jù)運(yùn)算結(jié)果更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，再由輸出狀態(tài)表的位狀態(tài)和數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印和數(shù)據(jù)通信等內(nèi)容。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

(2)存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器的作用是存放監(jiān)控程序、命令解釋、功能子程序、調(diào)用管理程序和各種系統(tǒng)參數(shù)等。系統(tǒng)程序是由PC生產(chǎn)廠家提供的，并固化在存儲(chǔ)器中。用戶存儲(chǔ)器的作用是存儲(chǔ)用戶編寫的梯形邏輯圖等程序。用戶程序是使用者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程和工藝要求編寫的控制程序。PC產(chǎn)品說(shuō)明中提供的存儲(chǔ)器型號(hào)和容量一般指的是用戶程序存儲(chǔ)器。

(3)接口模塊。它是CPU與現(xiàn)場(chǎng)I/O裝置和其他外部設(shè)備之間的連接部件。PLC是通過(guò)接口模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)、控制和聯(lián)網(wǎng)通信。各個(gè)生產(chǎn)廠家都有各自的模塊系列供用戶選用。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

2.PLC的性能特點(diǎn)

(1)存儲(chǔ)器?？梢允菐в须娫幢Ｗo(hù)的RnM,EPROM或EEPROM(2)數(shù)字量輸入/輸出端子。具有繼電邏輯控制中的輸入/輸出繼電器功能，端子點(diǎn)數(shù)多少是決定PLC控制規(guī)模的主要參數(shù)。

(3)計(jì)數(shù)器和定時(shí)器。在PLC的邏輯順序控制中，替代繼電器邏輯控制中的時(shí)間繼電器和計(jì)數(shù)繼電器。

(4)標(biāo)志(軟繼電器)。在PLC的邏輯順序控制中用作中間繼電器，其中的部分標(biāo)志具有保持作用。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(5)平均掃描時(shí)間。指掃描用戶程序的時(shí)間，決定了PLC的控制響應(yīng)速度。

(6)診斷。由通電檢查和故障指示的軟件完成。

(7)通信接口。一般采用RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，可以連接打印機(jī)和上位機(jī)等設(shè)備。

(8)編程語(yǔ)言。一般采用繼電器控制方式的梯形圖語(yǔ)言和語(yǔ)句表，并在此基礎(chǔ)上建立的控制系統(tǒng)流程圖和順序功能圖等語(yǔ)言。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)3.PLC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)單元式。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、成本低、安裝方便。它是將所有的電路都裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)整體。為了實(shí)現(xiàn)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的靈活配置和易于擴(kuò)展，通常都有不同點(diǎn)數(shù)的基本單元和擴(kuò)展單元，其中某些單元為全輸入和全輸出型。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(2)采用積木式組成方式。在機(jī)架上按需要插上CPU、電源、I/O模塊、及各種特殊功能模塊，構(gòu)成一個(gè)綜合控制系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是CPU與各種接口模塊都是獨(dú)立的模塊，因此配置很靈活，可以根據(jù)不同的系統(tǒng)規(guī)模要求選用不同檔次的CPU等各種模塊。由于不同檔次模塊的結(jié)構(gòu)尺寸和連接方式相同，對(duì)I/O點(diǎn)數(shù)很多的系統(tǒng)選型、安裝調(diào)試、擴(kuò)展、維護(hù)都非常方便。目前大的PLC控制系統(tǒng)均采用該種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式的PLC除了各種模塊外，還需要用主基板、擴(kuò)展基板及基板間連接電纜將各模塊聯(lián)成整體。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)3.4.3.3總線工控機(jī)

1.STD總線工業(yè)控制機(jī)

STD總線最早是由美國(guó)的Pro-log公司在1978年推出的，是目前國(guó)際上工業(yè)控制領(lǐng)域最流行的標(biāo)準(zhǔn)總線之一，也是我國(guó)優(yōu)先重點(diǎn)發(fā)展的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)總線之一，它的正式標(biāo)準(zhǔn)為IEEE961標(biāo)準(zhǔn)。按STD總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的模塊式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱為STD總線工業(yè)控制機(jī)。典型STD總線工控機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3-21所示，其突出特點(diǎn)是:模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)組成、修改和擴(kuò)展方便;各模塊間相對(duì)獨(dú)立，使檢測(cè)、調(diào)試、故障查找簡(jiǎn)便迅速;有多種功能模板可供選用，大大減少了硬件設(shè)計(jì)工作量;系統(tǒng)中可運(yùn)行多種操作系統(tǒng)及系統(tǒng)開發(fā)的支持軟件，使控制軟件開發(fā)的難度大幅降低。因此，在用STD總線進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要硬件設(shè)計(jì)工作是選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)化功能模板，并將這些模板通過(guò)STD總線連接成所需的控制裝置。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

2.PC總線工業(yè)控制機(jī)

IBM公司的PC總線微機(jī)最初是為了個(gè)人或辦公室使用而設(shè)計(jì)的，它早期主要用于文字處理或一些簡(jiǎn)單的辦公室事務(wù)處理。早期產(chǎn)品基于一塊大底板結(jié)構(gòu)，加上幾個(gè)I/O擴(kuò)充槽。大底板上具有8088處理器，加上一些存儲(chǔ)器，控制邏輯電路等。加入I/O擴(kuò)充槽的目的是為了外接一些打印機(jī)、顯示器、內(nèi)存擴(kuò)充和軟盤驅(qū)動(dòng)器接口卡等。隨著微處理器的更新?lián)Q代，為了充分利用16位機(jī)如Intc180286等的性能，通過(guò)在原Pc總線的基礎(chǔ)上增加一個(gè)36引腳的擴(kuò)展插座，形成了AT總線。這種結(jié)構(gòu)也稱為ISA(IndustryStandardArchitecture)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)PC/AT總線工業(yè)控制機(jī)，對(duì)原有微機(jī)作了以下幾方面的改進(jìn)。

(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)加固，使微機(jī)的抗振性好。

(2)采用標(biāo)準(zhǔn)模板結(jié)構(gòu)。改進(jìn)整機(jī)結(jié)構(gòu)，用CPU模板取代原有的大底板，使硬件構(gòu)成積木化，便于維修更換，也便于用戶組織硬件系統(tǒng)。

(3)加上帶過(guò)濾器的強(qiáng)力通風(fēng)系統(tǒng)，加強(qiáng)散熱，增加系統(tǒng)抵抗粉塵的能力。

(4)采用電子軟盤取代普通的軟磁盤，使之能適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。

(5)根據(jù)工業(yè)控制的特點(diǎn)，常采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用PC總線工業(yè)控制機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)，尤其是支持軟件特別豐富，各種軟件包不計(jì)其數(shù)，這可大大減少軟件開發(fā)的工作量，而且PC機(jī)聯(lián)網(wǎng)方便，容易構(gòu)成多微機(jī)控制與管理一體化的綜合系統(tǒng)、分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)。

表3-2給出了三種常用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的性能比較關(guān)系。上一頁(yè)返回3.5先進(jìn)控制方法簡(jiǎn)介3.5.1模型預(yù)測(cè)控制模型預(yù)測(cè)控制是一種基于模型的滾動(dòng)優(yōu)化控制策略，已在煉油、化工、冶金和電力等復(fù)雜工業(yè)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。模型預(yù)測(cè)控制具有控制效果好、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可有效地克服過(guò)程的不確定性、非線性和關(guān)聯(lián)性，并能方便地處理過(guò)程的被控變量和操縱變量中的各種約束。一般而言，可將模型預(yù)測(cè)控制分為三大類。第一類，基于非參數(shù)模型的預(yù)測(cè)控制算法。代表性的算法有模型算法控制(MAC)和動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)。這類算法分別采用有限脈沖響應(yīng)模型和有限階躍響應(yīng)模型作為過(guò)程預(yù)測(cè)模型，無(wú)需考慮模型結(jié)構(gòu)和階次。可將過(guò)程時(shí)滯納入模型中，尤其適合表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)不規(guī)則的對(duì)象特性，適合處理開環(huán)穩(wěn)定多變量過(guò)程約束問(wèn)題的控制。下一頁(yè)返回3.5先進(jìn)控制方法簡(jiǎn)介第二類，基于ARMA或CARIMA等輸入/輸出參數(shù)化模型的預(yù)測(cè)控制算法。這類算法由經(jīng)典自適應(yīng)控制發(fā)展而來(lái)，融合了自校正控制和預(yù)測(cè)控制的優(yōu)點(diǎn)，其反饋校正通過(guò)模型的在線辨識(shí)和控制律的在線修正以自校正的方式實(shí)現(xiàn)，其中最具代表性的是廣義預(yù)測(cè)控制(GPC)算法，它可用于開環(huán)不穩(wěn)定、非最小相位和時(shí)變時(shí)滯等較難控制的對(duì)象，并對(duì)系統(tǒng)的時(shí)滯和階次不確定有良好的魯棒性。但對(duì)于多變量系統(tǒng)，算法實(shí)施較困難。第三類，稱為“滾動(dòng)時(shí)域控制”，在理淪界，由著名的LQ或LQG算法發(fā)展而來(lái)。對(duì)于狀態(tài)空間模型，用有限時(shí)域二次性能指標(biāo)再加終端約束的滾動(dòng)時(shí)域控制方法來(lái)保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。它已拓展至跟蹤控制和輸出反饋控制。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.5先進(jìn)控制方法簡(jiǎn)介模型預(yù)測(cè)控制的算法形式多樣，但其基本原理都是相同的，都是在每個(gè)采樣周期，以系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為起點(diǎn)，在線求解有限時(shí)域開環(huán)最優(yōu)問(wèn)題，得到一個(gè)最優(yōu)控制序列，并將該序列的第一個(gè)控制量應(yīng)用到被控系統(tǒng)。作為一種有限時(shí)域滾動(dòng)優(yōu)化控制策略，MPC具有三個(gè)基本要素，預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正，概括如下。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.5先進(jìn)控制方法簡(jiǎn)介

(1)在當(dāng)前時(shí)刻，基于過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型，對(duì)未來(lái)某段時(shí)域內(nèi)的過(guò)程輸出序列做出預(yù)測(cè)，這些預(yù)測(cè)值是當(dāng)前和未來(lái)控制作用的函數(shù);(2)按照某個(gè)目標(biāo)函數(shù)確定當(dāng)前和未來(lái)控制作用的大小，這些控制作用將使未來(lái)輸出預(yù)測(cè)序列沿某個(gè)參考軌跡“最優(yōu)地”達(dá)到期望的輸出設(shè)定值，但只實(shí)施當(dāng)前控制量;(3)在下一時(shí)刻，根據(jù)最新實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)前一時(shí)刻的過(guò)程輸出預(yù)測(cè)序列做出校正，并重復(fù)執(zhí)行(1),(2)下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.5先進(jìn)控制方法簡(jiǎn)介基于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程測(cè)試中得到的過(guò)程動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，模型預(yù)測(cè)控制算法采用在線滾動(dòng)優(yōu)化，且在優(yōu)化過(guò)程中不斷通過(guò)系統(tǒng)實(shí)際輸出與模型預(yù)測(cè)輸出之差來(lái)進(jìn)行反饋校正。因此，它能在一定的程度上克服由于預(yù)測(cè)模型誤差和某些不確定性干擾等的影響，從而增強(qiáng)控制系統(tǒng)的魯棒性。從理淪上看，模型預(yù)測(cè)控制具有下列三個(gè)基本特征:(1)建立預(yù)測(cè)模型方便。(2)采用滾動(dòng)優(yōu)化策略。(3)采用誤差反饋校正。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.5先進(jìn)控制方法簡(jiǎn)介3.5.2自適應(yīng)控制

1.模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)(ModelReferenceAdaptiveSystem,MRAS)

模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)由以下幾部分組成，即參考模型、被控對(duì)象、反饋控制器和調(diào)整控制器參數(shù)的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)等部分，如圖3-23所示。從圖可以看出這類控制系統(tǒng)包含兩個(gè)環(huán)路:內(nèi)環(huán)和外環(huán)。內(nèi)環(huán)是由被控對(duì)象和控制器組成的普通反饋回路，而控制器的參數(shù)則由外環(huán)調(diào)整。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.5先進(jìn)控制方法簡(jiǎn)介

2.自校正調(diào)節(jié)器(Self-tuningRegulator,STR)

這類自適應(yīng)控制系統(tǒng)的一個(gè)主要特點(diǎn)是具有一個(gè)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的在線辨識(shí)環(huán)節(jié)，具體地說(shuō)是加入了一個(gè)對(duì)象參數(shù)的遞推估計(jì)器。由于估計(jì)的是對(duì)象參數(shù)，而且調(diào)節(jié)器參數(shù)還要求解一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題方能解出，所以這種自適應(yīng)控制系統(tǒng)可用圖3-24的結(jié)構(gòu)描述。這種自適應(yīng)調(diào)節(jié)器也可設(shè)想成有內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩個(gè)環(huán)路組成，內(nèi)環(huán)包括被控對(duì)象和一個(gè)普通的線性反饋調(diào)節(jié)器，這個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)由外環(huán)調(diào)節(jié)，外環(huán)則由一個(gè)遞推參數(shù)估計(jì)器和一個(gè)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)所組成。這種系統(tǒng)過(guò)程建模和控制的設(shè)計(jì)都是自動(dòng)進(jìn)行的，每個(gè)采樣周期都要更新一次。這種結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)控制器稱為自校正調(diào)節(jié)器。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.5先進(jìn)控制方法簡(jiǎn)介3.5.3智能控制智能控制就是應(yīng)用人工智能的理淪和技術(shù)及運(yùn)籌學(xué)的優(yōu)化方法同控制理淪方法和技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效人類的智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。一般可以把智能控制系統(tǒng)功能概括為下面的三點(diǎn):(1)學(xué)習(xí)功能。系統(tǒng)對(duì)一個(gè)過(guò)程或未知環(huán)境所提供的信息進(jìn)行識(shí)別、記憶、學(xué)習(xí)并利用積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步改善系統(tǒng)的性能，這種功能同人的學(xué)習(xí)過(guò)程相類似。

(2)適應(yīng)功能。這種適應(yīng)能力包括更高層次的含義，除包括對(duì)輸入/輸出自適應(yīng)估計(jì)外，還包括故障情況下自修復(fù)等。

(3)組織功能。對(duì)于復(fù)雜任務(wù)和分散的傳感信息具有自組織和協(xié)調(diào)功能，使系統(tǒng)具有主動(dòng)性和靈活性。智能控制器可以在任務(wù)要求范圍內(nèi)進(jìn)行自行決策，主動(dòng)采取行動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)多目標(biāo)沖突時(shí)，在一定的限制下，各控制器可以在一定范圍內(nèi)自行解決。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.5先進(jìn)控制方法簡(jiǎn)介智能控制系統(tǒng)分為智能控制器和外部環(huán)境兩大部分。智能控制器由智能信息識(shí)別和處理、數(shù)據(jù)庫(kù)、控制決策、認(rèn)知實(shí)習(xí)、控制知識(shí)庫(kù)、評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)6部分組成;外部環(huán)境由廣義被控對(duì)象、傳感器和執(zhí)行器、外部各種干擾等不確定性因素等組成。智能控制系統(tǒng)的種類有:遞階控制、基于知識(shí)的專家控制和仿人智能控制。下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.5先進(jìn)控制方法簡(jiǎn)介專家控制是指將專家系統(tǒng)的理淪和技術(shù)同控制理淪方法與技術(shù)結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效專家的智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。專家控制的原理所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)或控制器，分別稱為專家控制系統(tǒng)或?qū)＜铱刂破鳌＜铱刂葡到y(tǒng)是指相當(dāng)于(領(lǐng)域)專家處理知識(shí)和解決問(wèn)題能力的計(jì)算機(jī)智能軟件系統(tǒng)。專家控制系統(tǒng)不同于離線的專家系統(tǒng)，它不僅是獨(dú)立的決策者，而且具有獲得反饋信息并能實(shí)時(shí)在線控制的系統(tǒng)。專家控制系統(tǒng)的特點(diǎn):高可靠性及長(zhǎng)期運(yùn)行的連續(xù)行、在線控制的實(shí)時(shí)性、優(yōu)良的控制性能及抗干擾性、使用的靈活性。如圖3-25所示為一個(gè)專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.5先進(jìn)控制方法簡(jiǎn)介3.5.4神經(jīng)控制傳統(tǒng)的基于模型的控制方式，是根據(jù)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)控制器，并對(duì)控制規(guī)律加以數(shù)學(xué)解析描述;模糊控制是基于專家經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域知識(shí)總結(jié)出若干條模糊控制規(guī)則，構(gòu)成描述具有不確定性復(fù)雜對(duì)象的模糊關(guān)系，通過(guò)被控系統(tǒng)輸出誤差及誤差變化和模糊關(guān)系的推理合成獲得控制量，從而對(duì)系統(tǒng)控制。這兩種控制方式都具有顯式表達(dá)知識(shí)的特點(diǎn)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不善于顯式表達(dá)知識(shí)，但是它具有很強(qiáng)的逼近非線性函數(shù)的能力，即非線性映射能力。把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于控制正是利用它的這個(gè)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回3.5先進(jìn)控制方法簡(jiǎn)介眾所周知，控制系統(tǒng)的目的在于通過(guò)確定適當(dāng)?shù)目刂屏枯斎耄沟孟到y(tǒng)獲得期望的輸出特性，圖3-26給出了一般反饋