淺談工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的智能控制

1、精品資料推薦淺談工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的智能控制郝慶超在自動化(automation)不斷完善和發(fā)展的今天，自動化水平已經(jīng)成為衡量企業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，而自動化的一個重要分支一一工業(yè)自動化，更是生產(chǎn)型企業(yè)提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。我國的自動化發(fā)展歷程也經(jīng)歷了以“觀測”為主的第一階段，以“觀測”并“人為反應(yīng)”的第二階段，已經(jīng)逐漸進(jìn)入到“自動測量自動反應(yīng)”的第三階段。這些進(jìn)步，同時需要控制理論和實踐的完善，智能控制(intelligentcontrols)作為現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型控制理論，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個自動化領(lǐng)域，全自動洗衣機(jī)就是典型的智能控制自動化的例子。一個控

2、制系統(tǒng)包括控制器(controller)、傳感器(sensor)、變送器(transmitter)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(finalcontrollingelement)、輸入輸出接口(I/Ointerface)五部分組成?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器，這樣完成了一次正常的運算控制操作。按照自動控制有無針對對象來劃分，自動控制可分為“開環(huán)控制”和“閉環(huán)控制”。區(qū)分“開環(huán)控制”和“閉環(huán)控制”最直接的辦法是看是否有最終對象的反饋，當(dāng)然這個反饋不是人為直觀觀察的。例如向一個容器里加水，有水位測量設(shè)備，水位到達(dá)設(shè)定的高度，水龍頭自

3、動關(guān)斷，這就是“閉環(huán)控制”；如需人為的看水是否到了設(shè)定的高度，而去人為的關(guān)水龍頭，這就是“開環(huán)控制”。當(dāng)然，智能控制，目標(biāo)是不需要人為干預(yù)，所以，我們可以簡單的認(rèn)為“開環(huán)控制”是人為干預(yù)控制，不能完全體現(xiàn)智能控制的特點，所以在這里不去深究它?！伴]環(huán)控制”按照執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同，可分為“狀態(tài)閉環(huán)控制”和“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”。區(qū)分“狀態(tài)閉環(huán)控制”和“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”的辦法是看對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用方式，如上例中，如果水龍頭是開關(guān)兩位的，在水位到達(dá)設(shè)定的高度，自動關(guān)斷水龍頭，則此為“狀態(tài)閉環(huán)控制”；如果水龍頭是可調(diào)節(jié)的，根據(jù)水位高度的不同，調(diào)節(jié)水龍頭開度的大小，通過加水量的不同，讓水位保持平衡，此為“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”

4、。目前工業(yè)自動化控制中，“狀態(tài)閉環(huán)控制”多用于保護(hù)類控制，例如汽機(jī)的ETS鍋爐的MFT,化工的ESQ水泵保護(hù)等等。其優(yōu)點是反應(yīng)比較快，控制器本身不需要復(fù)雜的計算，通過邏輯運算基本可以實現(xiàn)；其缺點是一旦收到的反饋信號為假信號，則按照假信號進(jìn)行動作，工程上多稱之為“誤動”。由于動作迅速(一般是以“毫秒”為單位進(jìn)行計算)，所以一旦誤動產(chǎn)生，無法在執(zhí)行之前或之中做出人為反應(yīng)處理，只能事后補救，而一些重要的保護(hù)一旦產(chǎn)生誤動，其影響和損失都是比較大的。針對這個問題，根據(jù)現(xiàn)場“狀態(tài)閉環(huán)控制”的重要性和損失性，需要將反饋信號進(jìn)行品質(zhì)判斷處理，判斷出信號的真實性，如果是假信號，則保持原信號不變，不觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工

5、作，避免誤動。而且?guī)缀跛械摹盃顟B(tài)閉環(huán)控制”都有是否允許執(zhí)行的開關(guān)，即聯(lián)鎖按鈕。聯(lián)鎖按鈕可根據(jù)實際情況，屏蔽控制內(nèi)容，這樣就可以部分的對其進(jìn)行提前控制，把誤動的可能性減到最低?！罢{(diào)節(jié)閉環(huán)控制”相對“狀態(tài)閉環(huán)控制”要復(fù)雜一些，需要控制器進(jìn)行復(fù)雜的運算，計算出輸出的結(jié)果給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)而調(diào)節(jié)被調(diào)節(jié)對象。從時間上來講，“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”是不間斷的時時進(jìn)行計算和輸出，其周期決定于控制器的運算周期?！罢{(diào)節(jié)閉環(huán)控制”需要人為或通過系統(tǒng)計算給定一個被控制對象的理想白狀態(tài)數(shù)值(給定值setvalue,簡寫為S),控制器會比較實際的被控制對象的數(shù)值(測量值practicalvalue,簡寫P)與給定值之間的

6、偏差，并計算出輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的值(輸出值outputvalue,簡寫O)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)變化，使測量值改變，控制器再次比較測量值與給定值的偏差(以下簡稱偏差)，進(jìn)行下一循環(huán)的計算并輸出。“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”一般常用的控制方式是“比例積分微分控制”即“PID控制”或“PID調(diào)節(jié)”。PID控制器就是根據(jù)偏差，利用也(proportional)、積分(integration)、微分(differentiation)計算出控制量進(jìn)行控制的。PID控制器問世至今已有近幾十年的歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。很多盤裝儀表控制器就具備很好的帶有記憶功能的PID

7、控制功能?！罢{(diào)節(jié)閉環(huán)控制”對控制系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)設(shè)備性能的要求比較高，如對執(zhí)行機(jī)構(gòu)，要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)的線性度要高，不能是越階式執(zhí)行。同時,“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”因為是時時調(diào)節(jié)控制，所以對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分磨損比較大，部分的影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壽命。在“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”中，對控制系統(tǒng)的各個部分的工作狀態(tài)也有所要求，同例如執(zhí)行機(jī)構(gòu)，“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)是工作狀態(tài)是在“線性區(qū)域”工作，而不是死區(qū)。所謂死區(qū)(deadzone),又稱儀表不靈敏區(qū)，是指輸入量的變化不致引起該儀表輸出量有任何可察覺的變化的有限汨例如一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收420mA線性信號，輸出動作是0100%的機(jī)械力，那么當(dāng)輸入的信號是4.0005mA的

8、時候，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不動作的，此時4.0005mA是處于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)內(nèi)。閥門是最典型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，閥門的工作特性曲線圖(如圖01)表示出了閥門死區(qū)與工作線性區(qū)的特點。圖中Y軸代表的是閥門輸出的機(jī)械動作，即實際開度；X軸代表接受到的執(zhí)行命令大小，即要求開度。由圖可知，閥門在關(guān)閉時剛開始接收到開信號時閥門無實際動作，這段區(qū)域即是死區(qū)，然后在接受到一定的信號值后，閥門開始大幅度動作，然后進(jìn)入到一個相對平緩的直線運行區(qū)域，這段相對平緩的直線即線性區(qū)(linearzone)。然后再經(jīng)過大幅度動作區(qū)，死區(qū)，到底滿開度。關(guān)閉亦然。實際中，很多閥門在實際中是不可能完全達(dá)到0%和100%開度的，也就是說0%開度閥門

9、一定或多或少有一些流量，而100%開度也不可能是0阻力流動的。了解了“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”的執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點，之后進(jìn)行調(diào)節(jié)，方法多為PID調(diào)節(jié)。而PID調(diào)節(jié)有很多計算方法，實際應(yīng)用卻多用“試湊法”，即先通過經(jīng)驗預(yù)設(shè)一組PID參數(shù)值，再根據(jù)實際效果調(diào)節(jié)參數(shù)值，達(dá)到預(yù)期的目的。所以實際中主要調(diào)節(jié)什么參數(shù)，如何去調(diào)節(jié)PID參數(shù)，是最直接需要掌握的內(nèi)容。首先要知道所調(diào)試的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用方式，即正作用還是反作用。如果被調(diào)節(jié)對象的測量值大于給定值，則增大執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出值，此為正作用。反之為反作用。同一個容器，即有進(jìn)水閥，也有排水閥，被調(diào)節(jié)對象是水位，那么如水位高于期望值，需減小進(jìn)水閥的開度，進(jìn)水閥為反作用；需增大排水

10、閥開度，排水閥為正作用。正反作用是PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方向問題，找對了方向，才有可能向好的調(diào)節(jié)效果上發(fā)展。其次要了解的，就是P、I、D的含義了。比例、積分、微分在PID調(diào)節(jié)的作用。比例（P）控制是一種最簡單、最基礎(chǔ)的控制方式。其控制器的輸出與偏差信號成比例關(guān)系。比例控制的輸出曲線如圖02所示，其輸出是一條始于原點的直線，而直線的斜率是由比例增益確定的。調(diào)節(jié)的一方面，測量值和給定值無限接近，即偏差值很小越好，從而滿足調(diào)節(jié)的精度：另一方面，調(diào)節(jié)需要具有一定的幅度，以保證調(diào)節(jié)的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將偏差信號進(jìn)行放大。比例增益就是用來設(shè)置差值信號的放大系數(shù)的?；\統(tǒng)的講比例增益就

11、是放大倍數(shù)。一般在初次調(diào)試時,比例增益可按中間偏大值預(yù)置.待設(shè)備運轉(zhuǎn)時再按實際情況細(xì)調(diào)。而系統(tǒng)當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差，其測量值曲線的表現(xiàn)是等幅振蕩。積分（I）控制對比例控制有強烈的制約效應(yīng)。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分”。隨著時間的增加，積分作用會增大。這樣，即便偏差很小，積分也會隨著時間的增加而加大，它反向推動控制器的輸出，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，直到等于零。積分曲線如圖03所示，其作用方式是只要有偏差，并且偏差在允許偏差范圍只外，積分就會起作用，反作用拉動比例增幅。反之如果01

12、,U-0T圖8根分輸日曲線無偏差或者偏差在允許范圍內(nèi)，積分作用消失。調(diào)節(jié)積分的參數(shù)是積分時間，由比例控制可知，比例增益越大，由于慣性導(dǎo)致超調(diào)”，然后反過來調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩。引入積分的效果是，使經(jīng)過比例增益放大后的差值信號在積分時間內(nèi)逐漸增大，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時間太長，又會當(dāng)反饋信號急劇變化時，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此，積分時間的取值與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)和積分時間是成正比的。微分（D）控制是在調(diào)節(jié)系統(tǒng)在進(jìn)行比例控制和積分控制之前進(jìn)行的超前控制，采用微分控制的主要原因是控制系統(tǒng)中有滯后性。系統(tǒng)在比例控制之后，被控物理量值未及時的變化，而是比例

13、控制超調(diào)的時候開始變化，此時積分作用已不能對比例進(jìn)行很好的反拉動作用，比例因為慣性在達(dá)到理想輸出時向反方向移動，無限制振動。這樣就需要微分提前控制，微分控制曲線如圖04,微分作用是在比例控制之前，提前輸出作用于被控對象，抵消滯后時間，而后比例控制和積分控制起作用，從而100%0T圉心噬分物出白隨避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。微分根據(jù)差值信號變化的速率，提前給出一個相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作，從而縮短了調(diào)節(jié)時間，克服因積分時間過長而使恢復(fù)滯后的缺陷。微分控制參數(shù)主要是微分時間，微分時間的取值也與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)，拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)與微分時間也是成正比關(guān)系。PID控制是比例、積分、微分結(jié)合作用控制，目前比較常見的是PI控制和PID控制，根據(jù)實際的%胭中學(xué)好力位曲Fg.狗且值削我國g自曲系篦間最低曲線405所示，圖中丫軸代表測被控對象不同，選擇的控制組合方式也不同，但目的曲線是相同的，如圖量值及給定刻度。X軸代表