第7章 智能控制應(yīng)用示例(1)

1、第7章 智能控制(kngzh)的工程應(yīng)用智能控制技術(shù)的應(yīng)用與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)的發(fā)展是緊密相關(guān)的。目前，智能控制的應(yīng)用平臺(tái)主要有IPC工控機(jī)系統(tǒng)、數(shù)字單片機(jī)、PLC可編程控制器和專用(zhunyng)微機(jī)芯片等。 1共二十九頁(yè)7.1 電加熱爐爐溫(l wn)智能控制 1.電加熱爐結(jié)構(gòu)(jigu)2共二十九頁(yè)2.對(duì)自動(dòng)控制(z dn kn zh)提出的要求根據(jù)(gnj)不同的工藝要求，對(duì)不同的合金鋼，測(cè)試溫度不同，一般在5001200范圍之內(nèi)，要求溫度從室溫升到規(guī)定溫度后長(zhǎng)期（幾十小時(shí)，甚至上百小時(shí)，上千小時(shí)）穩(wěn)定在規(guī)定溫度范圍內(nèi)，其溫差要求不超過(guò)2。3共二十九頁(yè)3. 智能控制(kngzh)的設(shè)

2、計(jì)智能控制器由數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、學(xué)習(xí)(xux)環(huán)節(jié)、修正環(huán)節(jié)和黑板組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖7.4所示。4共二十九頁(yè)（1）數(shù)據(jù)庫(kù) 數(shù)據(jù)庫(kù)中存放:各個(gè)(gg)時(shí)刻采樣值、偏差、控制量,生成控制量所用的控制規(guī)則序號(hào)、每條控制規(guī)則的加權(quán)系數(shù)。都以數(shù)組的形式存放。5共二十九頁(yè)（2）知識(shí)表達(dá)(biod)和知識(shí)庫(kù)的建立知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)由產(chǎn)生式規(guī)則組成。 關(guān)鍵是如何表示電加熱爐溫控過(guò)程知識(shí)的問(wèn)題.從人們對(duì)恒值調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)可知(k zh):et越大，則對(duì)應(yīng)控制量越大；反之，控制量越小。det變化大，相應(yīng)控制量越大；反之，控制量變化小。 。 6共二十九頁(yè)（3）控制機(jī)和黑板(hibn)知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則集都是按順序排列的，

3、當(dāng)求得偏差和被調(diào)整量后，借助黑板(hibn)進(jìn)行正向推理，從上到下順序地搜索知識(shí)庫(kù)中的匹配模式，一旦找到匹配規(guī)則，即可求出控制量。這里的黑板是求解問(wèn)題的框架，并存放求解問(wèn)題過(guò)程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)。黑板的數(shù)據(jù)一旦產(chǎn)生就保持不便，直到下次求解過(guò)程開始時(shí)被擦掉。 7共二十九頁(yè)控制(kngzh)量求解過(guò)程流程圖如圖7.8所示。 8共二十九頁(yè)4. 智能控制器的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)(hunji)和修正環(huán)節(jié)(hunji)（1）學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)這里采用動(dòng)態(tài)獎(jiǎng)罰的學(xué)習(xí)方法，即在線判斷本時(shí)刻求解控制量u（k）的控制好與壞，據(jù)此對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行獎(jiǎng)與罰。例如，若本時(shí)刻有減小偏差的好趨勢(shì)，則對(duì)產(chǎn)生導(dǎo)致這一變化(binhu)的控制規(guī)則進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，即乘

4、以一個(gè)大于1的加權(quán)系數(shù)，使其控制量增強(qiáng)；若本時(shí)刻有增大偏差的壞趨勢(shì)，則對(duì)產(chǎn)生導(dǎo)致這一變化的控制規(guī)則進(jìn)行處罰，即乘以一個(gè)小于1的加權(quán)系數(shù)，使其控制作用減弱。9共二十九頁(yè)1）評(píng)價(jià)(pngji)函數(shù)若欲對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行動(dòng)態(tài)獎(jiǎng)罰，則如何(rh)確定某時(shí)刻的控制效果好與壞是關(guān)鍵問(wèn)題，為此引入評(píng)價(jià)函數(shù)的概念。這種評(píng)價(jià)函數(shù)必須確切反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征的好壞，而且它與控制規(guī)則應(yīng)有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣才能保證系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)。 10共二十九頁(yè)2）學(xué)習(xí)(xux)算法 學(xué)習(xí)過(guò)程是通過(guò)在線(zi xin)修正規(guī)則加權(quán)系數(shù)，使各控制規(guī)則所產(chǎn)生的控制量隨環(huán)境和控制效果的變化作出修正，從而實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)的功能。11共二十九頁(yè)（2）修正

5、(xizhng)環(huán)節(jié)系統(tǒng)爐溫控制是一個(gè)慢過(guò)程，一般采樣間隔長(zhǎng)，約為3060s。在此間隔時(shí)間內(nèi)，被控對(duì)象可能受內(nèi)部參數(shù)變化或隨機(jī)干擾影響，因而可能導(dǎo)致時(shí)刻(shk)發(fā)出的控制量使控制效果變差，影響系統(tǒng)的控制性能。為了彌補(bǔ)這一不足，引入動(dòng)態(tài)修正環(huán)節(jié):12共二十九頁(yè)5. 電加熱爐爐溫(l wn)實(shí)時(shí)控制結(jié)果 智能控制系統(tǒng)(xtng)升溫快，數(shù)字PID進(jìn)入穩(wěn)態(tài)需要127min，而智能系統(tǒng)(xtng)第三次運(yùn)行進(jìn)入穩(wěn)態(tài)只用56min； 智能控制系統(tǒng)精度高，數(shù)字PID穩(wěn)態(tài)誤差在-3+3.5范圍內(nèi)，而智能控制的穩(wěn)態(tài)誤差可達(dá)到1.5以內(nèi)，這一溫控精度比隨機(jī)最優(yōu)控制和非線性PID控制還要高。13共二十九頁(yè)7.2

6、復(fù)雜工業(yè)過(guò)程(guchng)的智能控制以鋼鐵生產(chǎn)為例 鋼鐵企業(yè)中，高爐又叫鼓風(fēng)爐，它的操作是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，鐵礦和焦炭從爐頂加入(jir)，鼓風(fēng)機(jī)由底部吹風(fēng)，這是一個(gè)非常重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，生鐵冶煉的質(zhì)量將直接影響煉鋼的過(guò)程與鋼的品質(zhì)。為此，高爐安裝了幾百個(gè)傳感器，從采集的數(shù)據(jù)中觀察高爐內(nèi)的狀況。 14共二十九頁(yè)圖7-10 高爐(gol)操作控制概況15共二十九頁(yè)三個(gè)主要(zhyo)的功能 (1)數(shù)據(jù)分析功能。分析和采集傳感器的數(shù)據(jù)。(2)爐內(nèi)靜態(tài)狀況分析功能。當(dāng)操作約束條件改變很大時(shí)，要根據(jù)(gnj)分析結(jié)果來(lái)尋求最合適的操作方法。(3)爐況診斷功能。16共二十九頁(yè)對(duì)于常規(guī)(chnggu)的

7、控制操作當(dāng)爐況比較(bjio)穩(wěn)定時(shí)，這種操作是比較(bjio)有效的。但是，爐內(nèi)狀況非常復(fù)雜，當(dāng)爐內(nèi)發(fā)生不正常工況，嚴(yán)重干擾爐子運(yùn)行時(shí)，很多操作還是要依靠有經(jīng)驗(yàn)操作員或?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)。因此有必要引入專家系統(tǒng)或智能控制系統(tǒng)來(lái)改善高爐運(yùn)行條件，提高生鐵的質(zhì)量。日本川崎鋼鐵廠在80年代后期就開發(fā)和建立了專家控制系統(tǒng)和對(duì)高爐進(jìn)行控制。 17共二十九頁(yè)7.2.1高爐監(jiān)控專家系統(tǒng)(xtng)1.系統(tǒng)(xtng)的結(jié)構(gòu)與功能這個(gè)系統(tǒng)由兩部分組成，第一部分是“不正常爐況的預(yù)測(cè)系統(tǒng)”(AFS)，它預(yù)測(cè)爐內(nèi)爐料滑動(dòng)和溝道的產(chǎn)生；第二部分是“高爐熔煉的監(jiān)控系統(tǒng)”(HCS),它判斷爐內(nèi)熔煉過(guò)程(guchng)并指

8、示操作員對(duì)高爐進(jìn)行合理的操作。18共二十九頁(yè) 系統(tǒng)(xtng)的結(jié)構(gòu) 19共二十九頁(yè)系統(tǒng)(xtng)的功能可分成二部分： 其一是推理的預(yù)處理部分，它用常規(guī)的方法在過(guò)程計(jì)算機(jī)上執(zhí)行。其二是推理部分，它用知識(shí)工程技術(shù)在AI處理器上實(shí)施。前者采集傳感器的數(shù)據(jù)，將它們寄存在時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)中，在預(yù)處理之后(zhhu)形成推理所需的事實(shí)數(shù)據(jù)，并將推理結(jié)果進(jìn)行顯示。后者利用前者所產(chǎn)生的事實(shí)數(shù)據(jù)和知識(shí)庫(kù)的規(guī)則，對(duì)高爐的狀況進(jìn)行推理。 20共二十九頁(yè)2. 系統(tǒng)的開發(fā)(kif)過(guò)程 決定目標(biāo)：明確系統(tǒng)的功能與所涉及的范圍。 獲取(huq)知識(shí)：研究有關(guān)高爐領(lǐng)域的技術(shù)書籍和報(bào)告，研究高爐操作員手冊(cè)；從領(lǐng)域?qū)＜抑兴鸭?/p>

9、知識(shí)。 知識(shí)的匯編與系統(tǒng)化：將專家的思維過(guò)程進(jìn)行整理分類；檢查其合理性以及存在的矛盾；將傳感器數(shù)據(jù)模式整理和分類、數(shù)據(jù)濾波、分級(jí)和求導(dǎo)（差分）；知識(shí)模糊性（不確定性）的表示。 21共二十九頁(yè)2. 系統(tǒng)的開發(fā)(kif)過(guò)程（續(xù)） 規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：將規(guī)則分組和結(jié)構(gòu)化，這時(shí)需考慮推理的速度。 系統(tǒng)功能的劃分：實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)處理；將系統(tǒng)功能劃分成預(yù)處理和推理二部分。 構(gòu)造原型系統(tǒng)：描述規(guī)則和黑板模型；將實(shí)際系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)形式化。 評(píng)估與調(diào)整：利用離線測(cè)試系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)；檢查系統(tǒng)的有效性；調(diào)節(jié)確定性因子的值。 應(yīng)用(yngyng)和升級(jí)：增加和校正規(guī)則。22共二十九頁(yè)3. 知識(shí)的表示(biosh)與知識(shí)庫(kù)結(jié)

10、構(gòu)由高爐工程師和操作員所采集到的領(lǐng)域?qū)ｉT知識(shí)和啟發(fā)性規(guī)則(guz)都存放在AI計(jì)算機(jī)的知識(shí)庫(kù)中，基本上采用產(chǎn)生式規(guī)則來(lái)表示知識(shí)。在高爐監(jiān)控中，主要問(wèn)題是根據(jù)摶感器的信息來(lái)判斷爐內(nèi)工況，預(yù)測(cè)非正常爐況的發(fā)生并采取合適的操作。因此，專家系統(tǒng)應(yīng)構(gòu)造成特征分析型的（專家）系統(tǒng)。23共二十九頁(yè)知識(shí)(zh shi)的遞階式結(jié)構(gòu) 24共二十九頁(yè)遞階式結(jié)構(gòu)(jigu)的特點(diǎn)： 因?yàn)橹R(shí)庫(kù)按遞階形式構(gòu)成，這使得我們?nèi)菀滓圆煌?b tn)的方式來(lái)表示各子庫(kù)的專家知識(shí)。 將規(guī)則集合分到各子知識(shí)庫(kù)，便于檢查規(guī)則集之間的有效性。 如果不將規(guī)則劃分，隨著規(guī)則數(shù)目的增加，推理時(shí)間也就不斷增長(zhǎng)，采用遞階式多知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)可以改善

11、推理的效率。25共二十九頁(yè)4. 傳感器數(shù)據(jù)(shj)的預(yù)處理和不確定性的表示第一步是對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑。鼓風(fēng)爐有200多個(gè)數(shù)據(jù)。不同的數(shù)據(jù)，例如爐子的壓力和溫度，往往(wngwng)受到擾動(dòng)和由于加料所造成的非周期性變化的影響，為了去除這種影響，采用統(tǒng)計(jì)方法作平滑處理。爐頂氣體溫度如圖7.14所示， 26共二十九頁(yè)第二步則是利用第一步的結(jié)果，抽取傳感器數(shù)據(jù)特定的交變模式（這些數(shù)據(jù)造成爐況的變化）。抽取的過(guò)程包括： 比較數(shù)據(jù)變化的趨向。譬如計(jì)算氣體入口溫度、爐子軸向溫度的變化率；計(jì)算氣體利用率等。 計(jì)算數(shù)據(jù)的級(jí)別。即計(jì)算頂部氣體壓力、吹風(fēng)壓力損失以及(yj)爐料下降速度等等數(shù)據(jù)所處的范圍，看它們是否大于（或小于）極限值。 計(jì)算方差。 計(jì)算數(shù)據(jù)的積分值。 預(yù)測(cè)（擬合）典型的變化模式。 計(jì)算變化的量。27共二十九頁(yè)控制(kngzh)效果：高爐采用智能控制以后，不但可以減輕(jinqng)操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，在發(fā)生故障時(shí)能及時(shí)、正確進(jìn)行處理；而且能提高生產(chǎn)率58%。28共二十九頁(yè)內(nèi)容摘要第7章 智能控制的工程應(yīng)用。目前，智能控制的應(yīng)用平臺(tái)主要有IPC工控機(jī)系統(tǒng)、數(shù)字單片機(jī)、PLC可編程控制器和專用微機(jī)芯片等。det變化大，相應(yīng)控制量越大。這里的黑板是求解問(wèn)題的框架，并存放求解問(wèn)題過(guò)程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)。4. 智能控制器的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)和