(19)-5.5 先進控制系統(tǒng)-智能控制

《過程控制工程》

“ProcessControlEngineering”

第五章先進控制系統(tǒng)本章目錄CONTENS1預(yù)測控制系統(tǒng)2解耦控制系統(tǒng)3軟測量和推斷控制4時滯補償控制5智能控制6間歇過程的控制5智能控制智能控制：研究與模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研制具有仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)的一門新興分支學科人工智能：機器（計算機）執(zhí)行某些與人類智能有關(guān)的復(fù)雜功能（例如判斷、圖象識別、理解、學習、規(guī)劃和問題求解等）的能力智能控制的主要形式包括專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、分級遞階智能控制、仿人智能控制及各種方法的綜合和集成人工智能的研究內(nèi)容包括知識表示、問題求解、語言理解、機器學習、模式識別、定理證明、機器視覺、邏輯推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、智能控制、模糊控制、智能決策、自動程序設(shè)計、機器人學、機器檢索系統(tǒng)、組合和調(diào)度等智能控制系統(tǒng)是具有以知識表示的非數(shù)學廣義模型和以數(shù)學模型表示的混合控制系統(tǒng)。適用于具有復(fù)雜性、不完全性、模糊性、不確定性和不存在已知算法的生產(chǎn)過程控制智能控制具有分層信息處理和決策機構(gòu)。它是人的神經(jīng)結(jié)構(gòu)或?qū)＜覜Q策機構(gòu)的模擬智能控制具有非線性特征智能控制具有變結(jié)構(gòu)特點智能控制具有總體自尋優(yōu)特點智能控制是多學科的綜合和集成智能控制特點：無需對被控過程建立數(shù)學模型。模糊控制是完全模仿操作人員控制經(jīng)驗基礎(chǔ)上設(shè)計的控制系統(tǒng)，因此，不需要建立數(shù)學模型，強魯棒性。對被控過程參數(shù)變化不靈敏，因此，模糊控制系統(tǒng)具有強魯棒性強實時性。模糊控制規(guī)則大多由離線計算獲得，不需要在線復(fù)雜運智能性。模糊控制規(guī)則是操作人員對過程控制作用的直觀描述和思維邏輯，體現(xiàn)了人工智能，它是人類知識在過程控制領(lǐng)域應(yīng)用的具體體現(xiàn)。模糊控制特點：模糊控制基本概念：隸屬度：特征函數(shù)CA(u)在u0處的值稱為u0對集合A的隸屬程度模糊控制基本概念：常用隸屬函數(shù)有三角形、梯形、高斯型、鐘形等種。MATLAB的模糊工具箱提供了trimf、trapmf、gaussmf、gbellmf等11種隸屬度函數(shù)，隸屬度函數(shù)可通過模糊統(tǒng)計法、專家經(jīng)驗法等確定。模糊控制基本概念：模糊控制器：組成：模糊化、知識庫、模糊推理和解模糊化等部分模糊化：將輸入的精確量（包括系統(tǒng)設(shè)定、輸出、狀態(tài)輸入信號）轉(zhuǎn)化為模糊量知識庫：由數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫組成。用于存放各語言變量隸屬度函數(shù)等和一系列控制規(guī)則模糊推理：根據(jù)模糊邏輯進行推理解模糊化：將模糊推理得到的模糊輸出量轉(zhuǎn)化為實際的控制量模糊語言：含有模糊概念的語言稱為模糊語言模糊語句是含有模糊概念，按給定語法規(guī)則構(gòu)成的語句。有模糊陳述句、模糊判斷句、模糊推理句等模糊推理句是最基本的模糊語句。模糊推理句的形式是：(A)→(B)，→表示蘊涵關(guān)系，即“若A，則B”。這里的真是有一定程度的真。模糊條件推理語句是描述模糊推理的語句，基本形式是IF…THEN…形式。IFE1THENU=U1；若偏差E1為真，則輸出U取值U1。IFE1ANDDE1THENU=U1；若偏差E1和偏差變化率DE1為真，輸出U取值U1模糊控制器設(shè)計：確定模糊控制器輸入輸出變量，通常，采用偏差和偏差變化率設(shè)計模糊控制器的控制規(guī)則：模糊控制器設(shè)計：確定模糊化和解模糊化的方法：例如，輸入變量變化范圍[a，b]，模糊化變化范圍[-ne，ne]，則輸入變量x模糊化為y的計算公式為選擇輸入變量和輸出變量的論域，確定模糊控制器參數(shù)編制模糊控制器控制算法的應(yīng)用程序合理選擇模糊控制器采樣時間MATLAB提供FUZZY模糊邏輯工具箱，DCS制造商提供FLC模糊邏輯控制功能模塊等模糊控制仿真研究：采用FLC函數(shù)作為模糊控制器。藍色為偏差；粉紅色是偏差微分；輸入和輸出的邏輯關(guān)系見圖圖5-44液位模糊控制的動畫畫面仿真人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：根據(jù)人腦神經(jīng)元電化學活動抽象出來的一種多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。適合具有不確定性、高度非線性被控對象的控制，例如，模型辨識、控制器設(shè)計、優(yōu)化操作、故障分析和診斷等領(lǐng)域特點：具有并行處理、分布存儲、高度容錯、自學習能力、強魯棒性和強適應(yīng)性等特點人工神經(jīng)元：一個神經(jīng)元有n個輸入x1、…、xn，輸入到神經(jīng)元的總輸入p為神經(jīng)元的輸出q與總輸入p之間的關(guān)系用：q

=f(p)表示。f(*)稱為激活函數(shù)或傳遞函數(shù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)激活函數(shù)前向網(wǎng)絡(luò)：信息向前逐層連接，沒有向后或反饋的連接反饋網(wǎng)絡(luò)：信息向前連接的同時，存在向后或反饋的連接特點：并行處理性：大量神經(jīng)元的處理是并行進行的，因此，具有強大的處理速度和處理能力。分布式存儲：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息存儲在神經(jīng)元的連接權(quán)系數(shù)中，只有各神經(jīng)元組合起來才能獲得真正的信息。強容錯性和聯(lián)想性：由于信息存儲在各神經(jīng)元的連接權(quán)系數(shù)中，部分神經(jīng)元的損壞使信息部分丟失，但仍可根據(jù)其他信息進行聯(lián)想，使完整信息得到恢復(fù)。強學習性：可通過學習獲得神經(jīng)元的連接結(jié)構(gòu)和連接參數(shù)等人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-BP網(wǎng)絡(luò)：反向傳播算法BP網(wǎng)絡(luò)是多層前向網(wǎng)絡(luò)組成：輸入、隱含和輸出層構(gòu)成輸入節(jié)點數(shù)與輸入變量數(shù)相同，輸出節(jié)點數(shù)與輸出變量數(shù)相同結(jié)構(gòu)：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-BP網(wǎng)絡(luò)：反向傳播學習算法是監(jiān)督學習算法。以實際輸出yd(k)與每個樣本經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出yi(k)之間的誤差平方和為最小作為學習的依據(jù)。訓練的性能指標按梯度下降法，得權(quán)系數(shù)修正公式偏置的修正公式人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-BP網(wǎng)絡(luò)：反傳學習算法程序框圖人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-RBF網(wǎng)絡(luò)：兩層前向網(wǎng)絡(luò)組成：輸入變量數(shù)等于被研究問題的獨立變量數(shù)，中間層選用徑向基函數(shù)作為轉(zhuǎn)移函數(shù)，輸出層是線性函數(shù)徑向基函數(shù)：一類局部分布的對中心點徑向?qū)ΨQ衰減的非負非線性函數(shù)RBF網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點的高斯基函數(shù)RBF網(wǎng)絡(luò)輸出氧樂果合成反應(yīng)溫度的智能控制流程：特點：胺解合成反應(yīng)初始段，因放熱量不夠，反應(yīng)溫度較低，因此，一甲胺投放量不宜過快。當一甲胺投放累積量達總量25%時，放熱量已經(jīng)超過冷卻量，這時投料速度應(yīng)較低，以抑制放熱量的過快增長，控制放熱速度。當反應(yīng)溫度接近-12℃后，應(yīng)適當保持投料速度。當一甲胺投放累積量達總量80%以上時，精酯已基本耗盡，應(yīng)加快投料，縮短生產(chǎn)過程時間氧樂果合成反應(yīng)溫度的智能控制流程：智能控制策論：反應(yīng)初始階段：Gt<G1，反應(yīng)時間為[0，t1]。一甲胺流量控制在420kg/h；T≤Tsp-6。控制策略見模糊推理語句。溫度上升階段：G1≤Gt<G2，反應(yīng)時間為[t1，t2]。穩(wěn)定反應(yīng)階段：G2≤Gt<G-Gm，反應(yīng)時間為[t2，t3]。反應(yīng)結(jié)束階段：G-Gm≤Gt，反應(yīng)時間為[t3，t4]。式中，一甲胺投放累積量Gt；一甲胺投放總量G；G1、G2、Gm根據(jù)操作情況可改變，一般設(shè)置為60kg、90kg和50kg。T是反應(yīng)溫度氧樂果合成反應(yīng)溫度的智能控制反應(yīng)初始階段模糊推理語句：IFTGT-20ORTSP-6LETTHENL=0;IF-21LTTANDTLE-20THENL=K1*L0;IF-22LETANDTLE-21THENL=K2*L0;IF-23LETANDTLE-22THENL=K3*L0;IF-24LETANDTLE-23THENL=K4*L0;IF-25LETANDTLE-24THENL=K5*L0;IF-26LTTANDTLE-25THENL=K6*L0;IF-27LETANDTLE-26THENL=K7*L0;IF-28LETANDTLE-27THENL=K8*L0;IF-29LETANDTLE-28THENL=K9*L0;IF-30LETANDTLE-29THENL=K10*L0;IFdTLE-30THENL=K11*L0;IFTLT0THENL=1.1*L;K=[11.11.151.21.251.31.351.381.41.451.48]T，并可手動調(diào)整。dT是溫度變化率。GT表示大于；LT表示小于；LE表示小于等于。T是反應(yīng)器溫度氧樂果合成反應(yīng)溫度的智能控制溫度上升階段控制：類似反應(yīng)初始階段程序基本值為L1，設(shè)理想溫升速率為T20是進行第2階段時的初始溫度。Tsp是設(shè)定溫度。t2-t1約12min3×4×1的BP網(wǎng)絡(luò)：輸入變量是溫度、溫度變化率和一甲胺投放的累積量，輸出為一甲胺流量氧樂果合成反應(yīng)溫度的智能控制穩(wěn)定反應(yīng)階段控制：類似反應(yīng)初始階段程序基本值為L2，考慮響應(yīng)曲線的斜