【正文】 系統(tǒng)中 ，受控對(duì)象高度的非線性，突變性以及環(huán)境的變化使得建立精確的模型非常困難，甚至是不可能建立起來(lái)的。 專家控制是智能控制的一個(gè)重要的分支， 80 年代初，人們開始把專家系統(tǒng)的思想和方法引入到控制系統(tǒng)的研究以及工程應(yīng)用中，試圖完成一些傳統(tǒng)的控制技術(shù)不能解決的復(fù)雜的控制任務(wù)，同時(shí)推進(jìn)自動(dòng)控制理論和技術(shù)的發(fā)展，從而出現(xiàn)了專家控制系統(tǒng)這種新型的控制技術(shù)。 專家控制是指將專家系統(tǒng)的理論和技術(shù)同 控制理論方法與技術(shù)相結(jié)合，仿照專家的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。具體地說(shuō)，就是把專家的經(jīng)驗(yàn)和控制算法相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的智能控制 。專家控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的區(qū)別：專家控制系統(tǒng)是以人類專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型依賴小，具有靈活多變的控制策略，可以解決復(fù)雜的控制問(wèn)題。當(dāng)然，這種智能的專家控制系統(tǒng)并不是對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的取代，而是在原有傳統(tǒng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上的發(fā)展和進(jìn)化。 每一種控制方法都有它的關(guān)鍵技術(shù) 和瓶頸，專家控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是： (1)知識(shí)表達(dá)方式。專家控制的知識(shí)庫(kù)是不斷更新變化的， 而且是該領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)的表述，所以如何的把這些知識(shí)轉(zhuǎn)換為控制器可以接受的知識(shí)是至關(guān)重要的。 (2)從傳感器中識(shí)別和獲取定量的控制 信號(hào)。專家控制器主要從傳感器的傳回的信號(hào)為基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行下一步的動(dòng)作，一般的來(lái)講，傳感器得到的信號(hào)時(shí)非常復(fù)雜的，包含各方面的因素，因此，如何從返回的信號(hào)中提取需要的信息決定著控制器的執(zhí)行情況。 (3)將定性的知識(shí)轉(zhuǎn)化為定量的控制信號(hào)。專家控制器最終的目的是要把專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)轉(zhuǎn)化成機(jī)器的可識(shí)別的而且可執(zhí)行的東西?？刂破鲝姆祷氐降男畔⒅蝎@得當(dāng)前控制器的運(yùn)行情況并且要控制被控對(duì)象的下一步的動(dòng)作。所以要 13 把所得的領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)轉(zhuǎn)化為定量的信號(hào)來(lái)控制被控對(duì)象就顯得很重要。 (4)控制知識(shí)和控制規(guī)則的獲取。畢竟來(lái)說(shuō)某領(lǐng)域方面 的知識(shí)是比較難獲得的，一般的說(shuō)知識(shí)的來(lái)源有兩個(gè)方面：一是該領(lǐng)域的專家的知識(shí)；另一方面是在實(shí)踐中總結(jié)而來(lái)。為了使控制器達(dá)到更好的效果，需要非常全面的知識(shí)，因而對(duì)控制知識(shí)的要求也就成為控制器成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一。 目前，專家控制的應(yīng)用已經(jīng)滲透到自動(dòng)控制的各個(gè)方面，相對(duì)于其他控制方式，它的特點(diǎn) [11]是 ： (1)響應(yīng)速度快。在控制系統(tǒng)中響應(yīng)速度是一個(gè)重要的指標(biāo)，專家控制系統(tǒng)可以在最短的時(shí)間里給用戶結(jié)果，在緊急的情況下，它可以先給用戶一個(gè)滿意解，用來(lái)采取緊急措施，然后再進(jìn)一步 優(yōu)化結(jié)果，找出最合理的處理方案。 (2)必須有最合理的知識(shí)表達(dá)方式。專家控制系統(tǒng)的知識(shí)表示不同于其他的控制方式，他必須把人類專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)合理的描述出來(lái)，這就對(duì)知識(shí)的表達(dá)方式提出了考驗(yàn)，而且一般人類工程師的知識(shí)都是動(dòng)態(tài)的，所以專輯控制的知識(shí)表達(dá)方式要能與動(dòng)態(tài)的變化相適應(yīng)。 (3)良好的學(xué)習(xí)功能。專家控制系統(tǒng)具有自己學(xué)習(xí)，自己修正的功能。一般的說(shuō)，它控制對(duì)象都是比較復(fù)雜的對(duì)象，所以它不可能把所有的情況都列舉出來(lái)，而且被控對(duì)象基本上都是動(dòng)態(tài)的，模型隨時(shí)都會(huì)發(fā)生變化。但是專家控制系統(tǒng)有感知各種變化的能力，能適應(yīng) 環(huán)境的變化，而且他可以把新的變化過(guò)程學(xué)習(xí)下來(lái)，自動(dòng)的記入知識(shí)庫(kù)，不斷的充實(shí)知識(shí)庫(kù)。 (4)靈活性。專家控制系統(tǒng)它的規(guī)則和整定規(guī)律是相互獨(dú)立的，而且在實(shí)踐中可以不斷的添加或者修改，所以該系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和誤差情況，能夠靈活的選取相應(yīng)的控制規(guī)律。 (5)適應(yīng)性。專家控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力特別好。因?yàn)樗闹R(shí)來(lái)源是比較全面的，基本上把所有能想到的情況都考慮在內(nèi)，所以這種控制類型能根據(jù)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，來(lái)調(diào)整控制器的參數(shù)，從而適應(yīng)對(duì)象特性以及環(huán)境的變化。 (6)魯棒性。通過(guò)專家或者工程師所整定的規(guī)則，系統(tǒng)可以在 非線性、大偏差下可靠的工作。 專家控制系統(tǒng)的控制要求和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 專家控制系統(tǒng)從它產(chǎn)生以來(lái)就呈現(xiàn)出旺盛的生命力，原因就在于它具備其他控制系統(tǒng)包括智能控制系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前在自適應(yīng)控制過(guò)程中仍然存在兩個(gè)明顯的缺 [10]點(diǎn) ：第一，其它控制類型要求控制對(duì)象有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型；第二，不能為自適應(yīng)機(jī)理設(shè)定有意義的 目標(biāo)。而專家系統(tǒng)控制系統(tǒng)不存在這些缺點(diǎn)，它不需要精確的數(shù)學(xué)模型， 而且它能為自適應(yīng)設(shè)計(jì)提供有意義的時(shí)域目標(biāo)。 專家控制系統(tǒng)的控制要求 一般的來(lái)說(shuō)，專 家控制系統(tǒng)沒(méi)有統(tǒng)一的和固定的要求，基本上所有的專家 14 控制系統(tǒng)的要求都是由具體的控制對(duì)象所決定的，但是，就其專家控制本身來(lái)說(shuō)，還有一些綜合性的要 [10]求 ： (1)要有很強(qiáng)的決策能力 專家控制系統(tǒng)在需要 的 時(shí)候要具有處理不完全性、不精確性、和不確定性問(wèn)題的能力，因而，要求專家控制系統(tǒng)具有不同水平的決策能力，以便在遇到不同的情況下能夠處理不同的問(wèn)題，而且基于知識(shí)的控制系統(tǒng)的關(guān)鍵能力之一就是決策。 (2)要運(yùn)行可靠 對(duì)于一些獨(dú)特的裝置或者系統(tǒng)，如果利用專家控制系統(tǒng)來(lái)代替普通的 控制系統(tǒng)，那么整個(gè)控制系統(tǒng)的將變得非常的復(fù)雜，這種復(fù)雜性主要體現(xiàn)在硬件的結(jié)構(gòu)上，它的運(yùn)行結(jié)果常常會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。所以，要求專家控制系統(tǒng)要具有較高的運(yùn)行可靠性，同時(shí)，專家控制系統(tǒng)還需要具備便捷的監(jiān)控能力。 (3)要有較好的應(yīng)用通用性 如果專家控制系統(tǒng)的應(yīng)用通用性比較差，那么很明顯每一種被控對(duì)象都需要專門的專家控制器，這將增加控制的成本。因而在確保專家控制器控制效果的同時(shí)還要保證它具有比較好的應(yīng)用通用性。應(yīng)用通用性包括易于開發(fā)、實(shí)例多樣、多種推理機(jī)制并存、便于混合知識(shí)表示，以及開放式的可擴(kuò)充結(jié)構(gòu)等。 (4)控制與處理的靈活性 此要求包括控制策略的靈活性、數(shù)據(jù)管理的靈活性、經(jīng)驗(yàn)表示的靈活性、模式匹配的靈活性、解釋說(shuō)明的靈活性以及過(guò)程連接的靈活性。 (5)具有擬人能力 既然設(shè)計(jì)的是專家控制系統(tǒng)，那么該系統(tǒng)就應(yīng)該達(dá)到該領(lǐng)域?qū)＜业乃健? 專家控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 (1)模型描述的多樣性 模型描述的多樣性原則就是指在設(shè)計(jì)過(guò)程中，被控對(duì)象和控制器的模型應(yīng)采用多樣化的描述形式，不 應(yīng)該 拘泥于解析模型?，F(xiàn)有的控制理論對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 基本上 都依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。在專家控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于采用了專家系統(tǒng)的思想，能夠處 理各種定性的與定量、精確的與模糊的信息，因此允許對(duì)模型采用多種形式的描述。這些描述形式主要有： 1)解析模型，主要表達(dá)方式有：微分方程、差分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間表達(dá)式和脈沖傳遞函數(shù)等。 2)離散事件模型，用于離散系統(tǒng)，并在復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析方面找到更多的應(yīng)用。 3)模糊模型，在不知道對(duì)象的準(zhǔn)確模型而只掌握了受控過(guò)程的一些定性知識(shí)時(shí)，用模糊數(shù)學(xué)的方法建立系統(tǒng)的輸入和輸出模糊集以及它們之間的模糊關(guān)系則比較方便。 15 4)規(guī)則模型，產(chǎn)生式規(guī)則的基本形式為 IF (條件 ) THEN（操作或者結(jié)論） 這種基于規(guī)則的 符號(hào)化模型特別適用于描述過(guò)程的因果關(guān)系和非解析的映射關(guān)系等。它具有較強(qiáng)的靈活性，可方便地對(duì)規(guī)則加以補(bǔ)充或修改。 5)基于模型的模型，對(duì)于基于模型的專家系統(tǒng)，其知識(shí)庫(kù)含有不同的模型， 其中包含物理模型和心理模型，而且通常是定性模型。這種方法能夠通 離線預(yù)計(jì)算來(lái)減少在線計(jì)算，產(chǎn)生簡(jiǎn)化模型使之與所執(zhí)行的任務(wù)逐一匹配。 總之，在專家控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同情況選擇一種或幾種恰當(dāng)?shù)拿枋龇绞剑郧蟾玫姆磻?yīng)過(guò)程特性，增強(qiáng)系統(tǒng)的信息處理能力。 (2)在線處理的靈巧性 智能控制系統(tǒng)的重要特征之一就是 能夠以有用的方式來(lái)劃 分和構(gòu)造信息。在設(shè)計(jì)專家 控制器時(shí)應(yīng)注意對(duì)過(guò)程在線信息的處理和利用。在信息存儲(chǔ)方面，應(yīng)對(duì)那些對(duì)做出控制決策有意義的特征信息進(jìn)行記憶，對(duì)于過(guò)時(shí)的信息則加以遺忘；在信息處理方面，應(yīng)把數(shù)值計(jì)算和符號(hào)運(yùn)算結(jié)合起來(lái)；在信息利用方面，應(yīng)對(duì)各種反映過(guò)程特征的特征信息加以抽取和利用， 不能 僅限于誤差和誤差的一階導(dǎo)數(shù)。靈活的處理與利用在線信息將提高系統(tǒng)的信息處理能力和決策能力。 (3)控制策略的靈活性 控制策略的靈活性是設(shè)計(jì)專家 控制器所應(yīng)遵循的一條重要原則。工業(yè)對(duì)象的時(shí)變性與不確定性以及現(xiàn)場(chǎng)干擾的隨機(jī)性，要求控制器采用不同形式的 開環(huán)與閉環(huán)控制策略，并能通過(guò)在線獲取的信息靈活地修改控制策略或者控制參數(shù)，以保證獲得優(yōu)良的控制品質(zhì)。此外專家控制器中還應(yīng)設(shè)計(jì)異常情況處理的適應(yīng)性策略，以增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)變能力。 (4)決策機(jī)構(gòu)的遞階性 專家控制系統(tǒng)是一種人工智能智能的控制器，和人的神經(jīng)系統(tǒng)有相似之處。眾所周知，人的神經(jīng)系統(tǒng)是由大腦、小腦、腦干和脊髓組成的一個(gè)分層遞階決策系統(tǒng)。以仿智能為核心的智能控制，其控制器的設(shè)計(jì)必然要體現(xiàn)分層遞階的原則，即根據(jù)智能水平的不同層次構(gòu)成分級(jí)遞階的決策機(jī)構(gòu)。 (5)推理與決策的實(shí)時(shí)性 在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中，基本上所有 的控制系統(tǒng)都要有這一特點(diǎn)，當(dāng)然專家系統(tǒng)也不例外。就其專家控制系統(tǒng)而言，要想具有上述特點(diǎn)，它的知識(shí)庫(kù)的規(guī)模就不應(yīng)該過(guò)大，推理機(jī)構(gòu)要盡可能的簡(jiǎn)單，以滿足實(shí)時(shí)性的要求。 本章小結(jié) 在本章中，首先，介紹了專家控制系統(tǒng)的基本情況，包括專家控制系統(tǒng)的基本概念，分類，基本結(jié)構(gòu)等；再次，對(duì) 專家控制系統(tǒng)的兩種類型：直接專家控制系統(tǒng)和間接專家控制系統(tǒng)做了具體的 介紹 ，特別是本課題重點(diǎn)設(shè)計(jì)的間接專家控制系統(tǒng)從理論上進(jìn)行了根本的闡述，對(duì)其結(jié)構(gòu)、類型做了相應(yīng)的理論鋪 16 墊。此后對(duì)專家控制器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括它的結(jié)構(gòu)、工作原理、作 用等。然后，介紹了 專家控制系統(tǒng)在現(xiàn)代自動(dòng)控制中的應(yīng)用 以及它的特點(diǎn)。 最后， 對(duì)所涉及的專家控制系統(tǒng)所要達(dá)到的控制要求以及控制效果進(jìn)行了說(shuō)明，并闡述了專家控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)原則 。 17 第三章 精校機(jī)液壓位置伺服系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 及動(dòng)態(tài)特性 分析 液壓點(diǎn)式精校機(jī)是當(dāng)前比較常見(jiàn)的校直設(shè)備 ，它用壓頭下壓工件的方式來(lái)對(duì)工件進(jìn)行校直 ， 所以對(duì)壓頭行程的控制就顯得非常的重要，它直接決定著 精校機(jī)的校直精度。因而有必要對(duì)壓頭的控制系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)全面的深入 研究，以提高或者改進(jìn)校直機(jī)的校直效果 。 電液伺服系統(tǒng)的概述 電液伺服系統(tǒng) 是一個(gè)比較復(fù)雜的系 [12]?統(tǒng) ，由于本身具有獨(dú)特的性質(zhì)，所以它的響應(yīng)速度受到許多因素的影響，比如液壓油的性質(zhì)、本身機(jī)構(gòu)的組成以及電子的因素都可以影響該系統(tǒng)的響應(yīng)情況。它是 一個(gè)機(jī)，電，液一體化 合成 的系統(tǒng)， 由于復(fù)雜的特性使這種系統(tǒng)很難精確的建模，許多因素都無(wú)法 從 數(shù)學(xué)的角度進(jìn)行描述，因而傳統(tǒng)的控制方法就很難對(duì)其進(jìn)行控制，即便是經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，其控制效果也難以得到保證，因而這就需要有 更好控制方法對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行控制。 電液伺服系統(tǒng)中的核心部 件是 電液伺服閥，這種閥不僅是電液轉(zhuǎn)換元件，而且還是功率放大元件，因此電液伺服閥關(guān)系到系統(tǒng)的整個(gè)響應(yīng)情況，包括系統(tǒng)工作的可靠性以及系統(tǒng)的使用 壽 [7]命 。目前，電液伺服閥作為一種先進(jìn)的電液 控制元件出現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中，以其控制精度高、響應(yīng)速度快的特性在許多高技術(shù)含量的 設(shè)備 中得以應(yīng)用。 此外，電液伺服系統(tǒng)的高工作頻率要求也是控制的另一個(gè)必須考慮的方面，當(dāng)前，要想使系統(tǒng)的控制效果得以保證，就必須提高電液伺服系統(tǒng)的工作頻率，特別是當(dāng)今的工業(yè)控制領(lǐng)域，一般要 求電液伺服系統(tǒng)的跟蹤誤差要控制在直線位移 30um 以內(nèi) ，這就對(duì)其工作頻率提出了挑戰(zhàn)。由于該系統(tǒng)的高頻響應(yīng)的特性，就決定了它是一個(gè)非線性的系統(tǒng)，這種非線性的系統(tǒng)，在控制過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的誤差可以分為兩種情況：即：靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤 [910]?差 ，其中產(chǎn)生靜態(tài)誤差的原因是由存在的死區(qū)以及零件的安裝精度造成的，死區(qū)包括伺服閥的死區(qū)、負(fù)載的摩擦死區(qū)以及執(zhí)行元件的摩擦死區(qū)等幾個(gè)方面；產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的原因一般是由在響應(yīng)的過(guò)程中 產(chǎn) 生的動(dòng)態(tài)滯后引起的，這是由電液伺服系統(tǒng) 本身的性質(zhì)引起的。 電液伺服系統(tǒng)本身有許多種類，其中在本文所研究的精校機(jī)所采用的是液壓位置伺服系統(tǒng) 液壓位置伺服系統(tǒng)的方塊圖 推導(dǎo)液壓位置伺服系統(tǒng)的方法是，從系統(tǒng)的物理過(guò)程入手，順著輸入信號(hào)的行走路線進(jìn)行追蹤，一直到負(fù)載輸出為止，從而建立整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，把系統(tǒng)的輸入放置在左邊，輸出放置在右邊，便可以得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的總方塊圖如下所 示 ： 18 圖 31 精校機(jī)液壓位置伺服系統(tǒng)的方塊圖 精校機(jī)的液壓位置伺服系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 電液伺服閥 雖然 使用效果比 較好，但是在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的比較少。一方面由于 它的制造精度要求 比較高，因而其造價(jià) 比較昂貴， 若是從成本上來(lái)考慮，許多企業(yè)都不愿意 承受；另一方面，電液伺服閥對(duì)油污 比較的 敏感， 從而從技術(shù)的角度考慮它的維修要求也偏高 。由于存在以上兩種情況的 因素 。在實(shí)際的生產(chǎn)中常常會(huì) 用電液比例 閥來(lái) 替 代 電液伺服閥。電液比例閥成本比較低，維修要求相對(duì)簡(jiǎn)單，最關(guān)鍵 的是 它的 工作可靠， 可以達(dá)到電液伺服閥的效 [9]果 。 精校機(jī)的液壓位置伺服系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu) 精校機(jī)液壓位置伺服系統(tǒng)的原理 在本文 中以 YH4063 點(diǎn)壓式 精校機(jī) 為研究 對(duì)象， 這種 精校機(jī) 采用壓頭行程控制， 在校直 工件的過(guò)程中 要保證工件不被過(guò)壓 ，且其控制精度也需要達(dá)到預(yù)期的效果。在本章的研究中 ， 其控制系統(tǒng) 采用 的是 閥控液壓缸式的閉環(huán)電液位置伺服系統(tǒng) 。 (1)壓頭的動(dòng)作循環(huán) 壓頭的動(dòng)作循環(huán)可分為下面幾個(gè)階段： ①壓頭自其