外文翻譯--礦用深井提升機(jī)分布式智能控制系統(tǒng) 中文版.doc

中文譯文礦用深井提升機(jī)分布式智能控制系統(tǒng)的模擬研究I.M.MACLEOD，A.STOTHERT南非，約翰內(nèi)斯堡，威特沃特斯然德大學(xué)電力工程系摘要：連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備對多因子,多范式的分布式控制器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行有特殊要求。我們開發(fā)出一種礦用深井提升機(jī)控制器，其設(shè)計(jì)過程展示了如何選擇因子及它們怎樣相互作用從而控制連續(xù)運(yùn)行的設(shè)備。這種控制器是用模擬研究的方法得出。研究表明，該控制器有助于設(shè)計(jì)連續(xù)運(yùn)行設(shè)備的智能控制器時(shí)區(qū)分理論推導(dǎo)和實(shí)際運(yùn)行狀況。關(guān)鍵詞：分布式智能控制；實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)控制；連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備1.簡介對分布式人工智能方法的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的探討多集中于使用二進(jìn)制輸入輸出接口的離散式系統(tǒng)。例如Kashoni和Saridis1983設(shè)計(jì)的城市交通控制器，F(xiàn)oux及其他人1993年做的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)以及Macleod和Lun1993年研制的生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的分布式職能控制很有意思。對于這種實(shí)用上很重要的設(shè)備，控制器必須能監(jiān)測連續(xù)變化的數(shù)字傳感信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生連續(xù)變化的執(zhí)行信號(hào)。人們希望把用在不連續(xù)系統(tǒng)研究中的方法擴(kuò)展到連續(xù)型系統(tǒng)。然而，分布式因子的作用、表現(xiàn)形式及其相互作用方式?jīng)Q定需要改變其內(nèi)部比例關(guān)系。本文通過設(shè)計(jì)礦用深井提升機(jī)控制器，模擬其運(yùn)行旨在說明分布式職能控制是如何應(yīng)用到連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備中的。文章結(jié)構(gòu)安排如下：首先概述與分布式智能控制有關(guān)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的特性，接著總結(jié)了深井提升機(jī)控制的要求，給出了一種用于這種設(shè)備的多因子控制器。最后討論了模擬研究的結(jié)果，強(qiáng)調(diào)了區(qū)分理論推理與實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的意義。2.連續(xù)運(yùn)行設(shè)備的分布式智能控制分布式智能控制用多種半自動(dòng)因子來控制設(shè)備，以滿足運(yùn)行要求。每種因子執(zhí)行一種智能模式，通過聯(lián)絡(luò)，因子相互配合來完成整個(gè)控制方案。用多個(gè)因子的分布式智能控制器比單個(gè)因子的控制器更加靈活、高效。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備與非連續(xù)設(shè)備的不同在于，它們是用連續(xù)的多個(gè)方程描述，且實(shí)時(shí)運(yùn)行。換句話說，連續(xù)型設(shè)備是一種典型的隨時(shí)間連續(xù)變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)是什么意思呢？首先，實(shí)時(shí)運(yùn)行規(guī)定了控制器必須遵守的要求：實(shí)時(shí)控制器要能迅速及時(shí)的監(jiān)測到設(shè)備性質(zhì)的變化并做出反應(yīng)。此外，它還意味著智能控制系統(tǒng)必須能隨時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)推理，從而做出正確的反應(yīng)。當(dāng)控制器有規(guī)劃和時(shí)間安排功能時(shí)，動(dòng)態(tài)推理功能更顯得格外重要。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備要滿足實(shí)時(shí)時(shí)限的要求，智能控制器必須在每一時(shí)限段都發(fā)出足夠的控制指令。因此，使用的模式一定要能在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)提供完備的解決方案或在無法完成時(shí)提出部分完備的方案。因此，選擇代理模式不僅要關(guān)注解決所需問題的能力，而且要重視當(dāng)無法在規(guī)定期限內(nèi)完成時(shí)給出不完全解決方案的能力。MacLeod和Lun1992年介紹了一種在時(shí)限到來時(shí)提供部分解決方案的方法。3.深井提升機(jī)的控制要求為了探討連續(xù)型分布式智能控制器，可以選取一種深井提升機(jī)的簡易控制系統(tǒng)作為范例。該系統(tǒng)包括直接聯(lián)接到卷筒上的電力拖動(dòng)設(shè)備和帶兩套鋼絲繩連接提升容器的卷筒，提升設(shè)備（左右容器平衡布置）沿井筒布置。這是2000以上深井的典型提升系統(tǒng)。作為提升系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的一部分，對鋼絲繩的設(shè)計(jì)我們采用了安全系數(shù)以使其留有余量。靜載荷加上由于系統(tǒng)振蕩產(chǎn)生的最大的動(dòng)載荷，決定了所需的安全系數(shù)。動(dòng)載荷可由動(dòng)態(tài)放大系數(shù)Fm來計(jì)量。Fm是鋼絲繩上的最大動(dòng)態(tài)力Fpeak除以加速段受力得到的結(jié)果。FmFpeak/提升容器和鋼絲繩的總質(zhì)量加速度）如果最大載荷能夠盡量小，提升繩的安全系數(shù)就可以取得較小，從而可以采用較輕且便宜的鋼絲繩。由于井筒很深（大約3000米），減輕繩重就顯得至關(guān)重要。輕繩能減少拖動(dòng)電機(jī)的容量，提高提升效率。于是控制重點(diǎn)變?yōu)闇p少系統(tǒng)振蕩，繼而限制動(dòng)載荷。Perry和Smith在1932年及Petch在1951年已揭示了控制提升機(jī)卷筒的加速度曲線形狀，可以使鋼絲繩振蕩減到最小。4.控制方案當(dāng)給定繩長和容器質(zhì)量，提升系統(tǒng)存在一個(gè)固有諧振頻率fo?；A(chǔ)加速度曲線圖如圖1所示，它用于產(chǎn)生加速度輪廓曲線。Perry和Smith1932年指明如果圖中加速時(shí)間to等于振蕩的固有周期1/fo，振幅降至最小值。根據(jù)線性疊加原理可知，如果所有加速度曲線都用計(jì)算基礎(chǔ)加速度曲線的方法來確定，F(xiàn)m就會(huì)取到最小值。以下是可選的控制方案：1).取fo的近似值。2).確定加速度給定值3).調(diào)整加速度曲線以達(dá)到此加速度值。這其中可能要適當(dāng)修改原來的給定值。4).利過卷筒的加速度反饋控制把完全的加速度曲線圖都用到提升設(shè)備中。wtanw=mrope/m圖1.基礎(chǔ)加速度曲線圖加速度預(yù)加速度加速度曲線實(shí)測的fo，忽略質(zhì)量和位移速度和位移控制輸入速度、位移目標(biāo)值加速階段圖2.分布式智能控制系統(tǒng)示意圖這種控制方法顯示了相互獨(dú)立的因子的集成。借助理論推理可以計(jì)算出fo的近似值以及Fm在構(gòu)建加速度曲線圖時(shí)的有效位。在控制問題中應(yīng)用推理知識(shí)，可將控制器分解成由一系列小問題組成的序列。對每個(gè)任務(wù)可以設(shè)計(jì)出因子來，這樣得到的分布式控制器的框圖如圖2所示。用于每個(gè)因子構(gòu)成控制步驟的一部分，其執(zhí)行的功能模塊很容易確定。因子的功能現(xiàn)說明如下：由于振蕩固有頻率中系統(tǒng)變量的非線性作用，它與提升容器載重量和鋼絲繩長度有關(guān)，我們用一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來逼近fo。這種網(wǎng)絡(luò)隨著鋼絲繩的使用年限而變化。一開始用fo的第一位計(jì)算值來預(yù)置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，接著，在控制器的實(shí)際運(yùn)行中，由井筒的特定數(shù)據(jù)修訂原來的結(jié)果。也就是說，如果運(yùn)行中測量的fo與近似值不同，則用測量值重新調(diào)整網(wǎng)絡(luò)。試驗(yàn)中所用的是由后傳遞法調(diào)定的四層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。兩層單個(gè)的線性網(wǎng)絡(luò)是輸入輸出層，另外兩個(gè)內(nèi)層是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心，它們每層由五道s型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。這種線性/s型/線性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很靈活，能夠近似線性和非線性的功能。五個(gè)神經(jīng)元的內(nèi)層可用不斷重復(fù)的辦法得到，四個(gè)神經(jīng)元的內(nèi)層無法將網(wǎng)絡(luò)的總平方誤差降到允許的范圍內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過調(diào)整用來解決其中w=2fo,與鋼絲繩長成正比，m是提升容器質(zhì)量。這一公式可得到fo的第一位計(jì)算值。加速值給定值由模糊邏輯來確定，該理論用于闡明加速度曲線的使用方法。礦用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊邏輯控制中心常規(guī)控制器運(yùn)行設(shè)備圖3.減速控制器的模糊邏輯控制界面速度（m/s）位移（m）提升機(jī)正常運(yùn)行時(shí)需要具備兩種重要功能：“加速”和“停車”。于是要用到兩個(gè)因子；一個(gè)把提升容器加速到預(yù)定值（一般為15m/s），另一個(gè)使容器在預(yù)定的井深處停車。用這種方法分別計(jì)算加速度設(shè)定值，每個(gè)因子執(zhí)行一定的任務(wù)。各自獨(dú)立的因子也使得協(xié)調(diào)模糊邏輯來說明加速度曲線的用法更容易。加速度控制器是簡單的單輸入單輸出系統(tǒng)，減速度控制器是雙輸入單輸出系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)中模糊邏輯控制器都是以誤差輸入和加速度輸出裝置為基礎(chǔ)。每一個(gè)論域可以分為五個(gè)部分。加速度控制器的模糊控制界面如圖3所示?！翱刂浦行摹庇糜谡希?lián)絡(luò)各因子。輸入的用戶指令經(jīng)處理給提升容器加速，使其?？吭诰仓械男挛恢?。用戶給定提升容器的正常運(yùn)行速度，提升高度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因子輸出決定著加速度框圖的具體形狀。模糊邏輯控制值決定加速度圖上A的值。“控制中心”還決定著何時(shí)從加速模糊邏輯轉(zhuǎn)到中斷模糊邏輯并給常規(guī)的反饋控制器提供加速度曲線。常規(guī)反饋控制器用反饋環(huán)節(jié)來控制拖動(dòng)電機(jī)，使提升容器達(dá)到加速度設(shè)定值。這種控制器拖動(dòng)機(jī)構(gòu)的上升時(shí)間被取得盡可能短（加速度控制器的穩(wěn)定時(shí)間約為1s，約等于超調(diào)量的5%），以便讓控制系統(tǒng)的其它部分更加明晰。5.模擬研究我們開發(fā)出一種提升設(shè)備的常規(guī)連續(xù)型數(shù)字模擬裝置，它還包括了運(yùn)行普通卷筒加速度控制器的代碼。該裝置只有一個(gè)輸入變量加速度設(shè)定值；它是從p_var的實(shí)時(shí)分布式通訊數(shù)據(jù)單元提供的分布式數(shù)據(jù)庫讀入的。模擬邏輯控制器分成兩個(gè)單機(jī)過程來工作，它包含讀取所需的p_var，使用模糊邏輯并把結(jié)果傳送到分布式數(shù)據(jù)庫的代碼。一個(gè)獨(dú)立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過程計(jì)算出鋼絲繩振蕩的固有周期，為在分布式數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行讀寫操作做準(zhǔn)備。開發(fā)中用到的所有軟件都是用C語言編制的。試驗(yàn)中用的硬件設(shè)備包括一套IBM可兼容的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)使用0S/2V.121和OS/2LANmanager。網(wǎng)絡(luò)包含兩臺(tái)裝有數(shù)學(xué)處理程序和8M內(nèi)存的80286計(jì)算機(jī)。它們通過西部數(shù)