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电加热炉的温度控制中如何应用专家自整定系统?

供稿:武汉辉达工控技术有限公司 2016/6/16 15:20:27

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  • 关键词: 电加热炉 自整定系统 温度控制
  • 摘要:专家控制是基于知识的智能控制技术,它为控制技术的发展开辟了新思路,从而使控制作用的描述更完整,使控制性能的满意实现成为可能。

电加热炉的温度控制是典型的过程控制。由于传热问题的复杂性,电加热炉具有非线性、时变性、大滞后、不对称等特点。它的滞后主要是容积滞后,炉体的结构、容量、测温元件及其安装的位置都影响着滞后的大小;而在使用过程中,随着温度的升降,加热元件的特性发生变化,保温绝热材料会逐渐老化,环境也在不断变化,因而炉温特性是时变的;又因为绝大多数电加热炉都是在温度上升时强迫加热,而温度下降时则自然冷却,所以其温度特性是不对称的;另外由于炉温取决于加热元件的发热量、散热量和负荷的情况,发热时间总比传热时间短得多,所以炉温动态特性主要由传热过程决定,传导、对流、辐射三种传热方式都在起作用,只是在不同温区所占比例不同,三者中只有传导是线性的,辐射是绝对温度的四次方,对流则更加复杂,故电加热炉是一个本质非线性的系统。


一、PID 控制理论


PID 控制作为生产过程控制中应用最为广泛的控制方法,已有几十年的历史。PID 控制因其结构简单、适应性好,在控温中应用较多,但因为它是基于反馈控制,对于大滞后的炉温过程,需要很长的稳定时间,另一方面传统的PID 控制是基于对象的数学模型,当炉温特性发生变化或出现不确定扰动时,固定参数的PID 控制的控制效果就变得比较差。所以要想得到更好的控温效果,就需要采用自适应、自整定的PID 控制。另外针对时滞系统的Smith 预估控制和预测控制也被用于炉温控制。其中预测控制是基于模型、滚动实施并结合反馈校正的优化控制算法,它对模型精度要求不高,适应于时滞对象或非最小相位系统,相对传统的最优控制和自适应控制更适合复杂工业过程控制。而将预测控制与PID 有机结合起来则兼有两种算法的有点,在炉温控制上有很好的前景。


目前还有一种新的控制方式—专家控制,下文将针对此做一个详细讲解。



二、专家控制系统(expertcontrolsystem,ECS)



主要指的是一个智能计算机程序系统,其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验,能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题。也就是说,专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统,它应用人工智能技术和计算机技术,根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验,进行推理和判断,模拟人类专家的决策过程,以便解决那些需要人类专家才能处理好的复杂问题。专家控制的理想目标是要实现这样一个控制器或控制系统。

专家控制系统它已广泛应用于故障诊断、工业设计和过程控制,为解决工业控制难题提供一种新的方法,是实现工业过程控制的重要技术。专家系统的基本功能取决于它所含有的知识,因此,有时也把专家系统称为基于知识的系统(knowledge-based system)



三、专家系统智能自整定控制在电炉控制中的应用


考虑到加热炉温度控制系统的非线性特点,采用专家系统智能自整定的控制理论,即把专家系统和PID控制器结合,利用专家系统知识库知识修正PID 参数,改变PID 控制方式以达到最佳PID 控制效果,满足复杂动态过程的控制需要,例如任何时变的、非线形的、受到各种干扰的受控过程。。


专家系统应包括专家知识库、数据库和逻辑推理机三部分。专家系统可视为广义调节器,专家知识库中已经把熟练操作工或专家的经验和知识,构成PID 参数选择手册,这部手册记载了各种工况下被控对象特性所对应的P,I,D 参数,数据库根据被控对象的输人与输出信号及给定信号提供给知识库和推理机。推理机能进行启发式推理,决定控制策略。优秀的专家系统可对已有知识和规则进行学习和修正,这样对被控过程对象的知识了解可大大降低,仅根据输入、输出信息,就能实现智能自整定控制。


四、专家控制系统存在的问题及前景展望


专家控制是基于知识的智能控制技术,它为控制技术的发展开辟了新思路,从而使控制作用的描述更完整,使控制性能的满意实现成为可能。但是由于其是一门新兴的尚不完善的技术,目前专家控制系统在加热炉控制中的应用还存些问题,例如知识库的自动更新与规则的自动生成、数据和信息的获取和处理等等,这些都是需要融合不同智能技术,推动专家控制系统乃至智能控制的发展和进步才能解决的问题。


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