淺談工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的智能控制樣本

淺談工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中智能控制——郝慶超在自動化（automation）不斷完善和發(fā)展今天，自動化水平已經(jīng)成為衡量公司當(dāng)代化水平一種重要原則，而自動化一種重要分支——工業(yè)自動化，更是生產(chǎn)型公司提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量重要手段。國內(nèi)自動化發(fā)展歷程也經(jīng)歷了以“觀測”為主第一階段，以“觀測”并“人為反映”第二階段，已經(jīng)逐漸進(jìn)入到“自動測量自動反映”第三階段。這些進(jìn)步，同步需要控制理論和實(shí)踐完善，智能控制（intelligentcontrols）作為當(dāng)代控制理論基本上發(fā)展起來新型控制理論，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個自動化領(lǐng)域，全自動洗衣機(jī)就是典型智能控制自動化例子。一種控制系統(tǒng)涉及控制器（controller）、傳感器（sensor）、變送器（transmitter）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（finalcontrollingelement）、輸入輸出接口（I/0interface）五某些構(gòu)成。控制器輸出通過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)被控量，通過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器，這樣完畢了一次正常運(yùn)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)別“開環(huán)控制”和“閉環(huán)控制”最直接辦法是看與否有最后對象反饋，固然這個反饋不是人為直觀觀測。例如向一種容器里加水，有水位測量設(shè)備，水位到達(dá)設(shè)定高度，水龍頭自動關(guān)斷，這就是“閉環(huán)控制”；如需人為看水與否到了設(shè)定高度，而去人為關(guān)水龍頭，這就是“開環(huán)控制”。固然，智能控制，目的是不需要人為干預(yù)，因此，咱們可以簡樸以為“開環(huán)控制”是人為干預(yù)控制，不能完全體現(xiàn)智能控制特點(diǎn)，因此在這里不去深究它?！伴]環(huán)控制”按照執(zhí)行機(jī)構(gòu)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)別“狀態(tài)閉環(huán)控制”和“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”辦法是看對執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用方式，如上例中，如果水龍頭是開關(guān)兩位，在水位到達(dá)設(shè)定高度，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)，依照水位高度不同，調(diào)節(jié)水龍頭開度大小，通過加水量不同，讓水位保持平衡，此為“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”。當(dāng)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)ETS，鍋爐MFT，化工ESD，水泵保護(hù)等等。其長處是反映比較快，控制器自身不需要復(fù)雜計(jì)算，通過邏輯運(yùn)算基本可以實(shí)現(xiàn)；其缺陷是一旦收到反饋信號為假信號，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（普通是以“毫秒”為單位進(jìn)行計(jì)算），因此一旦誤動產(chǎn)生，無法在執(zhí)行之前或之中做出人為反映解決，只能事后補(bǔ)救，而某些重要保護(hù)一旦產(chǎn)生誤動，其影響和損失都是比較大。針對這個問題，依照現(xiàn)場“狀態(tài)閉環(huán)控制”重要性和損失性，需要將反饋信號進(jìn)行品質(zhì)判斷解決，判斷出信號真實(shí)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)工作，避免誤動。并且?guī)缀跛小盃顟B(tài)閉環(huán)控制”均有與否容許執(zhí)行開關(guān)，即聯(lián)鎖按鈕。聯(lián)鎖按鈕可依照實(shí)際狀況，屏蔽控制內(nèi)容，這樣就可以某些對其進(jìn)行提前控制，把誤動也許性減到最低?！罢{(diào)節(jié)閉環(huán)控制”相對“狀態(tài)閉環(huán)控制”要復(fù)雜某些，需要控制器進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，計(jì)算出輸出成果給執(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”是不間斷時時進(jìn)行計(jì)算和輸出，其周期決定于控制器運(yùn)算周期。“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”需要人為或通過系記錄算給定一種被控制對象抱負(fù)狀態(tài)數(shù)值（給定值setvalue，簡寫為S），控制器會比較實(shí)際被控制對象數(shù)值（測量值practicalvalue，簡寫P）與給定值之間偏差，并計(jì)算出輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)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，使測量值變化，控制器再次比較測量值與給定值偏差（如下簡稱偏差），進(jìn)行下一循環(huán)計(jì)算并輸出?！罢{(diào)節(jié)閉環(huán)控制”普通慣用控制方式是“比例積分微分控制”即“PID控制”或“PID調(diào)節(jié)”。PID控制器就是依照偏差，運(yùn)用比例（proportional）、積分（integration）、微分（differentiation）計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。PID控制器問世至今已有近幾十年歷史，它以其構(gòu)造簡樸、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)節(jié)以便而成為工業(yè)控制重要技術(shù)之一。諸多盤裝儀表控制器就具備較好帶有記憶功能PID控制功能。“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”對控制系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)設(shè)備性能規(guī)定比較高，如對執(zhí)行機(jī)構(gòu)，規(guī)定執(zhí)行機(jī)構(gòu)線性度要高，不能是越階式執(zhí)行。同步，“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”由于是時時調(diào)節(jié)控制，因此對執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械某些磨損比較大，某些影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)壽命。在“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”中，對控制系統(tǒng)各個某些工作狀態(tài)也有所規(guī)定，同例如執(zhí)行機(jī)構(gòu)，“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”規(guī)定執(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），又稱儀表不敏捷區(qū)，是指輸入量變化不致引起該儀表輸出量有任何可察覺變化有限區(qū)間。例如一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接受4~20mA線性信號，輸出動作是0~100%機(jī)械力，那么當(dāng)輸入信號是4.0005mA時候，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不動作，此時4.0005mA是處在執(zhí)行機(jī)構(gòu)死區(qū)內(nèi)。閥門是最典型執(zhí)行機(jī)構(gòu)，閥門工作特性曲線圖（如圖01）表達(dá)出了閥門死區(qū)與工作線性區(qū)特點(diǎn)。圖中Y軸代表是閥門輸出機(jī)械動作，即實(shí)際開度；X軸代表接受到執(zhí)行命令大小，即規(guī)定開度。由圖可知，閥門在關(guān)閉時剛開始接受到開信號時閥門無實(shí)際動作，這段區(qū)域即是死區(qū)，然后在接受到一定信號值后，閥門開始大幅度動作，然后進(jìn)入到一種相對平緩直線運(yùn)營區(qū)域，這段相對平緩直線即線性區(qū)（linearzone）。然后再通過大幅度動作區(qū)，死區(qū)，究竟?jié)M開度。關(guān)閉亦然。實(shí)際中，諸多閥門在實(shí)際中是不也許完全達(dá)到0%和100%開度，也就是說0%開度閥門一定或多或少有某些流量，而100%開度也不也許是0阻力流動。理解了“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，之后進(jìn)行調(diào)節(jié)，辦法多為PID調(diào)節(jié)。而PID調(diào)節(jié)有諸多計(jì)算辦法，實(shí)際應(yīng)用卻多用“試湊法”，即先通過經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)一組PID參數(shù)值，再依照實(shí)際效果調(diào)節(jié)參數(shù)值，達(dá)到預(yù)期目。因此實(shí)際中重要調(diào)節(jié)什么參數(shù)，如何去調(diào)節(jié)PID參數(shù)，是最直接需要掌握內(nèi)容。一方面要懂得所調(diào)試調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用方式，即正作用還是反作用。如果被調(diào)節(jié)對象測量值不不大于給定值，則增大執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出值，此為正作用。反之為反作用。同一種容器，即有進(jìn)水閥，也有排水閥，被調(diào)節(jié)對象是水位，那么如水位高于盼望值，需減小進(jìn)水閥開度，進(jìn)水閥為反作用；需增大排水閥開度，排水閥為正作用。正反作用是PID調(diào)節(jié)基本，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)方向問題，找對了方向，才有也許向好調(diào)節(jié)效果上發(fā)展。另一方面要理解，就是P、I、D含義了。比例、積分、微分在PID調(diào)節(jié)作用。比例（P）控制是一種最簡樸、最基本控制方式。其控制器輸出與偏差信號成比例關(guān)系。比例控制輸出曲線如圖02所示，其輸出是一條始于原點(diǎn)直線，而直線斜率是由比例增益擬定。調(diào)節(jié)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)精度：另一方面，調(diào)節(jié)需要具備一定幅度，以保證調(diào)節(jié)敏捷度。解決這一矛盾辦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)立差值信號放大系數(shù)?；\統(tǒng)講比例增益就是放大倍數(shù)。普通在初次調(diào)試時，比例增益可按中間偏大值預(yù)置．待設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時再按實(shí)際狀況細(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，其測量值曲線體現(xiàn)是等幅振蕩。積分（I）控制對比例控制有強(qiáng)烈制約效應(yīng)。對一種自動控制系統(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)誤差或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必要引入“積分”。隨著時間增長，積分作用會增大。這樣，即便偏差很小，積分也會隨著時間增長而加大，它反向推動控制器輸出，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，，并且偏差在容許偏差范疇只外，積分就會起作用，反作用拉動比例增幅。反之如果無偏差或者偏差在容許范疇內(nèi)，積分作用消失。調(diào)節(jié)積分參數(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)節(jié)，再次超調(diào)，形成振蕩。引入積分效果是，使通過比例增益放大后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)。因而，積分時間取值與拖動系統(tǒng)時間常數(shù)關(guān)于：拖動系統(tǒng)時間常數(shù)和積分時間是成正比。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邁進(jìn)行超前控制，采用微分控制重要因素是控制系統(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變化，而是比例控制超調(diào)時候開始變化，此時積分作用已不能對比例進(jìn)行較好反拉動作用，比例由于慣性在達(dá)到抱負(fù)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，從而避免了被控量嚴(yán)重超調(diào)。微分依照差值信號變化速率，提前給出一種相應(yīng)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)滯后缺陷。微分控制參數(shù)重要是微分時間，微分時間取值也與拖動系統(tǒng)時間常數(shù)關(guān)于，拖動系統(tǒng)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)合伙用控制，當(dāng)前比較常用是PI控制和PID控制，依照實(shí)際被控對象不同，選取控制組合方式也不同，但目曲線是相似，如圖05所示，圖中Y軸代表測量值及給定刻度。X軸代表