【正文】 系統(tǒng)方法、極限環(huán)方法、波形識(shí)別法、反應(yīng)曲線法等幾類。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 9 串級(jí)控制系統(tǒng) 采用不止一個(gè)控制器，而且控制器之間相串聯(lián)，一個(gè)控制器的輸出作為下一個(gè)控制器的設(shè)定值的系統(tǒng)，稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。在鍋爐汽溫調(diào)節(jié)中，常采用這種系統(tǒng)。其典型系統(tǒng)框圖 如圖 所示。 圖 基本框圖 其中， 1c 為主被控量，使其保持平穩(wěn)是控制的主要目標(biāo)； 2c 為副被控變量，副控制器 2cG 的設(shè)定值為主控制器 1cG 的輸出 1U 。在 設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)副回路的構(gòu)成應(yīng)考慮：包含主要擾動(dòng)；包含整個(gè)對(duì)象內(nèi)次大的時(shí)間常數(shù)（有自衡對(duì)象）或包含最大時(shí)間常數(shù)（非自衡對(duì)象）。與單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)復(fù)雜程度有所增加，但有如下優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 迅速克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)。串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用中，大多 屬于該目的。副 回路起迅速的“粗調(diào)”作用，主回路起進(jìn)一步的“細(xì)調(diào)”作用。 （ 2） 改善主控制器的廣義對(duì)象的特性。副回路把整個(gè)廣義對(duì)象的一部分分割開來，構(gòu)成一個(gè)隨動(dòng)的反饋控制系統(tǒng)，其調(diào)整后的特性影響廣義對(duì)象的特性。 （ 3） 容許副回路各環(huán)節(jié)的特性在一定范圍內(nèi)變動(dòng)而不影響整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。也可減少控制閥流量特性不合適帶來的影響。 （ 4） 可以實(shí)現(xiàn)更靈活的控制方式，主控制器在必要時(shí)可以切除。 比值控制系統(tǒng) 在比值控制系統(tǒng)中，要控制的是兩個(gè)變量的比值，通常指的是兩個(gè)流量的比值。例如在鍋爐燃燒系統(tǒng)中，空氣與燃料的流量間應(yīng)保持一 定的比值，當(dāng)燃料流量增加或減少時(shí)，空氣流量應(yīng)隨之增加或減少。前一變量稱為主動(dòng)量，后一變量稱為從動(dòng)量。 比值控制系統(tǒng)是按功能命名的系統(tǒng)。在比較簡(jiǎn)單的情況下，它在結(jié)構(gòu)上與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)一樣。常用的控制方案有兩種形式：一種是把主動(dòng)量的測(cè)量值乘以某一系數(shù)后作為從動(dòng)量控制器的設(shè)定 值，這是一種典型的隨動(dòng)系統(tǒng)， 如圖 (a)所示；另一種是把流量1CG 2CGVG2pG1pG1mH2mH1r 1U2U Q 1C2C1f2f1y2y主控制器 副控制器 控制閥副對(duì)象 主對(duì)象副變送器主變送器主回路副回路內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 10 的比值作為被控變量，這是一種典型的定值系統(tǒng)，只不過從動(dòng)量控制器的測(cè)量值是由兩個(gè)流量值相除得出的 ，如圖 (b)所示。兩者都屬基本形式，這一大類的系統(tǒng)都只有一個(gè)控制回路，故通常稱為 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。 圖 比值控制系統(tǒng)基本框圖 第二大類是主動(dòng)量也同時(shí)設(shè)有流量控制回路的系統(tǒng)，通常稱為雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。如果分隔開來看，結(jié)構(gòu)上仍是兩個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。 第三大類是比值的設(shè)定值由另一個(gè)控制器給出的系統(tǒng)。例如在燃燒控制中，最終的（也就是真正的）被控變量是煙道氣的氧含量，而空氣與燃料的流量比值實(shí)質(zhì)上是控制手段，因此，比值的設(shè)定值由氧含量控制器給出。這一大類的系統(tǒng)稱為變比值控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)上是以比值控制系統(tǒng)為副回路的串級(jí)控制系統(tǒng)。 前饋控制系統(tǒng) 一般控制系統(tǒng)是基于反饋 原理，采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，按偏差而調(diào)節(jié)的，屬于被動(dòng)性控制，對(duì)于大擾動(dòng)或時(shí)滯大的過程，控制品質(zhì)往往不能令人滿意。 前饋控制系統(tǒng)基于補(bǔ)償原理，采用開環(huán)結(jié)構(gòu)，控制作用則是外作用（設(shè)定值或擾動(dòng)量）的函數(shù)。 考慮到過程特性和擾動(dòng)的復(fù)雜性，要實(shí)現(xiàn)完全的前饋和補(bǔ)償，是難以做到的。為保證更大的適應(yīng)性，在很多場(chǎng)合下把前饋控制與反饋控制結(jié)合起來，構(gòu)成前饋 — 反饋控制系統(tǒng) 如圖 。這種系統(tǒng)即使在大而頻繁的擾動(dòng)下，依舊可以獲得優(yōu)良的控制品質(zhì)。依據(jù)反饋、前饋控制相結(jié)合的方式，常用的前饋控制系統(tǒng)可分為兩類：前饋控制作用與反饋控制作用相乘；前 饋控制作用與反饋控制作用相加，這是前饋 — 反饋控制系統(tǒng)中最典型的結(jié)構(gòu)。當(dāng)負(fù)荷（處理量）是主要擾動(dòng)，且設(shè)定值又恒定不變時(shí)，這兩種類型的功能和適用場(chǎng)合是相近的；從設(shè)計(jì)的靈活性和方便性看，相加型似稍勝一籌。 SD( a ) ( b )1: K1FT FY2FT FC1FT FY2FT FC1G1G2G2G內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 11 V ( S )Gd ( s )前饋控制GM ( s )R ( s )P I D 控制 Y ( s )+ +G ( s ) 圖 反饋控制系統(tǒng)方框圖 前饋控制是按擾動(dòng)而控制的，要使這種控制方式得以實(shí)現(xiàn)并發(fā)揮作用，一是擾動(dòng)必須直接或間接可測(cè)，否則無法實(shí)施；二是必 須經(jīng)常有比較顯著和比較頻繁的擾動(dòng)，否則無此必要。過程的擾動(dòng)往往不止一個(gè)。在有些場(chǎng)合，主次關(guān)系很清楚，只要抓住最主要的擾動(dòng)，就解決了問題。但在另一 些場(chǎng)合，重要的擾動(dòng)不止一個(gè)，此時(shí)可采用多變量前饋。 另外，在控制過程中，我們還利用前饋控制過程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償過程的曲線如圖 所示。通過對(duì)控制系統(tǒng)的補(bǔ)償，則可大大提高系統(tǒng)的性能。 圖 前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償曲線 時(shí)滯補(bǔ)償控制系統(tǒng) 廣義對(duì)象的時(shí)滯與時(shí)間常數(shù)之比 /T? 越大，系統(tǒng)越不易控制。當(dāng) /T? 超過 ，甚至 超過 1 時(shí)，可稱為具有大時(shí)滯的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)中，為使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，控制器 增益必須減小。總的后果是最大偏差很大，調(diào)節(jié)過程變慢。對(duì)這類對(duì)象用 PID 控制規(guī)律，如果控制要求不高，還可以 勉強(qiáng)應(yīng)用 ，如果希望有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，就難以滿足要求。 一條更多采用的可行途徑是引入適當(dāng)?shù)姆答伃h(huán)節(jié)，設(shè)法使系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母項(xiàng)中（亦即特征方程中）不含時(shí)滯項(xiàng)。這種形式的補(bǔ)償器稱為 Smith 預(yù)估器。現(xiàn)在用計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)施時(shí)滯 算法已變得十分方便，這樣就擺脫 了 技術(shù)工具的制約，大大方便了該種補(bǔ)償器的開發(fā)與應(yīng)用。這種補(bǔ)償器不僅可用于單輸入單輸出情況，也可用于多輸入擾動(dòng)作用控制作用t內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 12 多輸出系統(tǒng)。 Smith 預(yù)估控制有一個(gè)問題，就是 對(duì)象的模型必須準(zhǔn)確。為了 解決模型失配時(shí) Smith預(yù)估控制效果不夠滿意的問題，現(xiàn)在已了多種改進(jìn)方案，但仍然無統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)，且效果不理想 。 選擇性控制系統(tǒng) 一般地說，凡是在控制回路中引入選擇器的系統(tǒng)都稱為選擇性控制系統(tǒng)。常用的選擇器是低選器和高選器，它們各有兩個(gè)（或更多個(gè)）輸入，低選器把低信號(hào)作為輸出，高選器把高信號(hào)作為輸出，即選擇器實(shí)現(xiàn)的是邏輯運(yùn)算。把邏輯規(guī)律引入控制算法，豐富了自動(dòng)化的內(nèi)容和范圍，使更多生產(chǎn)中的實(shí)際控制問題得以很好解決。選擇性控制系統(tǒng)在單元組合儀表時(shí)代即已發(fā)展，到采用數(shù)字計(jì)算機(jī) 控制時(shí)得到了推廣應(yīng)用，成為控制系統(tǒng)中的一類基本結(jié)構(gòu)。 選擇性控制系統(tǒng)依據(jù)選擇器所在的位置不同，可分為三種基本類型： （ 1）選擇器裝在幾個(gè)檢測(cè)元件（或變送器）與控制器之間。這主要實(shí)現(xiàn)被控變量的選點(diǎn)。當(dāng)被控變量的測(cè)量值應(yīng)該是幾個(gè)點(diǎn)之間的最高或最低值時(shí)，可通過選擇器來自動(dòng)進(jìn)行選點(diǎn)，當(dāng)有高可靠性要求時(shí)，有時(shí)采用冗余技術(shù)。 （ 2）選擇器位于兩個(gè)控制器與一個(gè)執(zhí)行器之間。超馳（ override）控制系統(tǒng)是選擇性控制系統(tǒng)中很常用的類型。由正?？刂破鳌⒊Y控制器與選擇器代替單一的控制器，以保證某些工藝變量不超過安全 極 限，保 證生產(chǎn)安全，是超馳控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與主要職能。類似的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開、停車，或?qū)崿F(xiàn)其他需要引入邏輯規(guī)律的控制方式。 在超馳控制系統(tǒng)中，選擇器位于兩個(gè)控制器的輸出端與控制閥之間，一般宜選用低選器，原因是安全方面的考慮。即使在失電或其他故障情況下，輸出值為零也能滿足安全需要。超馳控制系統(tǒng)中有兩個(gè)控制器，它們應(yīng)選正作用或反作用，應(yīng)分別按工藝規(guī)律和閥門的氣開、氣關(guān)情況而定。正?？刂破鞯倪x型與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)完全一樣。超馳控制器則需考慮其一達(dá)到安全 極 限即能迅速切換的能力 ， 為此應(yīng)選擇狹比例度的 P 或 PI 控制器。 在超馳 控制系統(tǒng)中，當(dāng)進(jìn)入或超出安全 極 限時(shí)，控制器應(yīng)立即進(jìn)行切換。這就是說，當(dāng)偏差為零時(shí)，兩個(gè)控制器應(yīng)該同步，即應(yīng)該有相同的輸出，這樣才能保證及時(shí)切換 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 13 智能控制系統(tǒng) 智能控制（ Intelligent Control ,IC） 是 20 世紀(jì) 80 年代以來極受人們關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域，是繼經(jīng)典控制理論方法和現(xiàn)代控制理論方法之后的新一代控制理論方法。 智能控制最直觀的定義顯然是引 入人工智能（ Artificial Intelligent,AI）的控制，也就是人工智能與自動(dòng)控制的結(jié)合。 人工智能的內(nèi)容很廣泛，如知識(shí)表示、問題求解、 語言理解、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、定理證明、機(jī)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、智能調(diào)度和決策、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)、機(jī)器人學(xué)等都是人工智能的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。人工智能中有不少內(nèi)容可用于控制，當(dāng)前最主要的是三種形式： （ 1）模糊控制； （ 2）專家規(guī)則控制與專家系統(tǒng)控制； （ 3）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。 它們可以單獨(dú)應(yīng)用，也可以與其他形式結(jié)合起來；可以用于基層控制，也可以用于過程建模、操作優(yōu)化、故障檢測(cè)、計(jì)劃調(diào)度和經(jīng)營(yíng)決策等不同層次。 模糊控制 模糊控制是將模糊集合理論應(yīng)用于控制的結(jié)果。模糊集合理論 是美國(guó)的 教授于 1965 年提出的，三十多年來，模糊集合理論已在自然科學(xué)技術(shù)和社會(huì)科學(xué)的很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，模糊邏輯控制（ FLC）即為其中之一。 模糊邏輯控制的核心是控制器輸出與輸入間的模糊關(guān)系準(zhǔn)則，也就是說，由輸入的模糊變量，按照某種模糊推理合成規(guī)則，求取作為輸出的模糊變量。輸出反饋控制器總是以偏差及其導(dǎo)數(shù)作為輸入的，這是手工操作時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，也是各種經(jīng)典控制規(guī)律的做法。從物理概念看，就是既要依據(jù)偏差的量（正負(fù)及大小），又要依據(jù)偏差的變化速度（趨勢(shì)）來確定應(yīng)該采取的控制作用。當(dāng)然，也可考慮參照二階 或更高階次的導(dǎo)數(shù)，但由于噪聲的存在，引入高階導(dǎo)數(shù)并不相宜。 模糊邏輯控制器獲得的測(cè)量值一般不是模糊量，要求送往執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)一般也不是模糊量，所以從控制器的輸入到輸出，要經(jīng)過輸入信號(hào)的模糊化、在模糊控制規(guī)則下的決策，以及對(duì)模糊信號(hào)的精確化等步驟。模糊決策給出的實(shí)質(zhì)上是規(guī)則控制，可用 if?then?的產(chǎn)生式規(guī)則來表述，但更常用的是模糊決策表。 模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性已有不少研究。模糊控制律往往具有飽和特性，有利于系統(tǒng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 14 的穩(wěn)定。 在模糊控制中，余差往往很難完全消除，此時(shí)可將 FLC 與積分器相并聯(lián)，組成模糊 — 積分復(fù)合控 制器。 現(xiàn)在還出現(xiàn)了自組織（自適應(yīng)）模糊控制器，它能在控制系統(tǒng)運(yùn)行中不斷衡量系統(tǒng)的性能，并通過修改控制規(guī)則、改變量化算法來修正論域或修改模糊子集的定義域，使得到的模糊控制規(guī)則更加適合對(duì)象的特性。 模糊集和模糊控制的概念，不僅可以用在基層控制級(jí)，也可用在先進(jìn)和優(yōu)化控制以及調(diào)度、計(jì)劃和決策等層次。美國(guó)的 Salldis 教授曾指出，在遞階控制的結(jié)構(gòu)上，越往上的層次越需要智能。 專家規(guī)則控制 依據(jù)不同的情況，按規(guī)則選擇合適的控制策略或算法，稱為專家規(guī)則控制。這里所說的情況，包括偏差及其導(dǎo)數(shù)的變化、生產(chǎn)要求或 負(fù)荷的變化、設(shè)備情況的變化、環(huán)境條件的變化。這里所說的規(guī)則，則來自知識(shí)，一般以 if?? then??形式的產(chǎn)生式規(guī)則表示， 至于邏輯推理的復(fù)雜程度，則可能相距甚遠(yuǎn)。專家規(guī)則控制可在三個(gè)層次進(jìn)行，一是直接用在基本控制層，用一組控制規(guī)則作為控制律，人們依據(jù)工況的不同，選用不同的規(guī)則；二是用在特性監(jiān)測(cè)控制層，例如依據(jù)控制過程情況，選用不同的控制器參數(shù)，這時(shí)候仍采用傳統(tǒng)的控制器；三是用在監(jiān)督層，用以進(jìn)行有效的決策或選擇適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)等。 專家規(guī)則控制是基于知識(shí)的控制，知識(shí)工程是它的方法基礎(chǔ)，專家系統(tǒng)是處理復(fù)雜規(guī)則時(shí) 的主體工具。從專家系統(tǒng)本身解決問題的特點(diǎn)來看，可分為診斷型、設(shè)計(jì)型和控制型三大類。 （一）簡(jiǎn)單的專家規(guī)則控制 有些專家規(guī)則控制的邏輯關(guān)系很簡(jiǎn)單。在國(guó)內(nèi)，有些人稱之為“仿人”智能控制。簡(jiǎn)單規(guī)則算法早年在常規(guī)儀表中往往也可以實(shí)施，現(xiàn)在用微機(jī)控制時(shí)更為方便。但也要指出，這里所用的規(guī)則是簡(jiǎn)單的，很多是經(jīng)驗(yàn)性的，有些甚至不夠可靠；同時(shí)，由于規(guī)則簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的智能水平不高，推理能力較弱，因而難以處理復(fù)雜的命題。 （二）專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)是一個(gè)完整的問題求解計(jì)算機(jī)程序，設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的基本思想是使計(jì)算機(jī)的工作模擬人類專家運(yùn) 用知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)解決具體問題的方法與步驟，用以實(shí)現(xiàn)專家規(guī)則控制，具有很強(qiáng)的能力。人們開發(fā)成功了一批專家系統(tǒng)以后，接著從中總結(jié)出一般原理和內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 15 技術(shù)，開發(fā)了通用的專家系統(tǒng)，用戶只要把具體的專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)輸入，就可以成為該專業(yè)的專家系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)稱為建造專家系統(tǒng)的工具，或稱為專家系統(tǒng)外殼。一個(gè)專家系統(tǒng)由下列六個(gè)部分組成： （ 1） 人機(jī)接口：利用人機(jī)接口，專家可以將自己的新知識(shí)、新 經(jīng)驗(yàn)加入到知識(shí)庫(kù)中，也可以方便地對(duì)知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則進(jìn)行修改；操作員可以在操作過程中隨時(shí)得到專家系統(tǒng)的幫助，了解系統(tǒng)，并應(yīng)用系統(tǒng)像領(lǐng)域?qū)＜乙粯咏鉀Q問題 。 （ 2） 知識(shí)庫(kù)：用以存貯某個(gè)具體領(lǐng)域的專門知識(shí)，包括理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。專家系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于知識(shí)庫(kù)中知識(shí)的完備性和知識(shí)表示的正確性、一