带积分型的智能随动系统

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.02.018 第16卷第2期 北京科技大学学报 Vol.16 No.2 1994年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.1994 带积分型的智能随动系统 王顺晃) 江岩1) 张俊杰2) 1)北京科技大学自动化系，北京1000832)上海冶金设备总厂广 摘要介绍了采用微型机实现带积分型的智能随动系统的原理和方法并给出了程序框图，实时控 制结果表明：该智能随动系统的速度限随误差远小于数字PI、PD和无波纹最小拍随动系动，明 显地提高了系统的快速性. ,,·计算机控制，积分法/智能随动系统，知识库，推理机 中图分类号TP3870172.2 Intelligent Following System with the Integration Wang Shunhuang)Jiang Yan)Zhang Junjie2) 1)Department of Automation USTB.Beijing 100083.PRC 2)Shanghi Metallurgy Equipment Gencral Factory ABSTRACT In this paper,the principle of intelligent following system with integration implemented by a microcomputer is discussed.The program block scheme are give.The result of real-time control have been shown:Its speed following error is far less than following system for digital PI,PID and least-tact rippless.Simultaneous,fast trace of the system is obviously enhanced. KEY WORDS computer control,integrations,intelligent following system,knowledge base,rea- soning machine 随动系统的控制策略通常要用一般PI、PD、无波纹最小拍和最优控制，但是这些控制 方法往往过于依赖对象特性，很难得到较满意的静态和动态指标，近年来迅速发展起来的智 能控制可以不依赖于对象特性，它借助于人的经验、逻辑思维和记忆能力，充分吸取控制理 论成果，把定性知识和定量知识结合起来，取长补短，简化系统设计，这一发展动向已引起 人们的关注， 本文正是以随动系统为控制对象，设计一个智能控制器，阐明知识表达、推理和决策过 程，实时控制结果令人满意， 1 系统组成原理 1993-06-26收稿 第一作者男55岁教授

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 吨 。 声 带积分型 的智能 随动系 统 王 顺晃 江 岩 张俊杰 北京科技大学 自动化系 ， 北京 朋 上 海 冶金设备 总厂 摘要 介绍 了采用微型 机实现带积分型 的智能 随动系 统 的原理和 方法并 给出 了程序框 图 实时控 制结果表 明 该智能随动系统的速度跟 随误差 远小于数字 、 〕 和 无波纹最小拍 随动系动 ， 明 显地提高 了 系 统 的快速性 计算机控制 ， 积分法 智能随动系统 ， 知识库 ， 推理 机 中图 分类号 众 斌 叩 ’ 口 ’ 论 ’ 几 ， 氏石 ， 咖 】 任卿 山 丫泊 却沈。 甲 ， 七 加 而 议娥刃 五 代 岌 一 笼 ，八 八 。 卫 坦 “ 沮 期 七 魄 治 几】】 诩 巴 ， 〕 伐抬 一 。 粥 谊 ， “ 过 ， ， 正 ， 肋 ， 随动系 统 的控 制策 略通 常要 用 一 般 、 、 无波纹最小拍 和最优控制 但 是 这 些 控 制 方法往往过于 依赖 对象特性 ， 很难得 到 较满意 的静态 和 动态指标 近 年来迅速 发展起来 的智 能控制 可 以不 依赖 于 对象特性 ， 它借 助 于 人 的经验 、 逻辑思 维和 记忆能力 ， 充分 吸取控制理 论成果 ， 把定性 知识和定 量 知识 结合起 来 ， 取 长补短 ， 简化系 统设计 这一发展动 向 已 引起 人们 的关注 本文 正是 以 随动系 统为控 制 对象 ， 设计一 个智能控制器 ， 阐明知识表 达 、 推理 和决策 过 程 实 时控制结果令 人 满意 系统组成原理 卯 一 伪 一 收稿 第 一 作 者 男 岁 教 授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．02．018

第2期 王顺晃等：带积分型的智能随动系统 ,181, 图1为直接数字控制随动系统框图， 清测 ±10V9 发送器 电机 组合 粗测 接收器执 功率 放大 0。 行电动机 图1直接数字控制随动系统原理框图 Fig.1 DDC the diagram of principle of following system 该系统接收器和发送器采用旋转变压器组成，分精粗测信号，以提高系统的跟随精度， 用微型机取代原模拟控制器.相敏整流输出偏差信号e通过A/D转换器送入微型机，经过 各种不同控制算法计算得到相应控制量“，再由D/A转换器送人功率放大器，以控制接收 器的执行电动机，使它沿着消除偏差方向转动，致使偏差趋于零，达到完全跟踪· 实测相敏整流器的传递函数.斗为 Gs(S=k,/(TS+1)=10/0.01S+1) (1) 接收器执行电动机的传递函数为 Gs,(S)=k:/(T2S+1)·(ZS)1=2.2/[S(0.2S+1)月 (2) 其中Z为执行电动机到输出轴之间的减速比， 2 带积分型智能随动系统控制算法131 本算法是针对原无波纹最小拍随动系统中存在齿轮间隙死区，影响系统快速性而提出来 的，我们采用人工智能和控制理论相结合的方法来解决这个问题.实践证明这种方法较大幅 度地提高了系统响应速度，消除静止时抖动现象，得到较好的控制效果，带积分型智能控制 原理框图如图2所示· 知识库 推理机 控制决策 G,(S) 0.(S) 图2带积分型智能随动系统原理框图 Fig.2 The principle block diagram for intelligent following system with integration

第 期 王 顺 晃等 带积分型 的智能 随动 系统 图 为直接数字控 制 随动系 统框 图 发送 器 电机 接收器 执 行 电动 机 士 图 直接数字控制 随动 系 统原理框 图 瑰 翻 血略用 州画户 旬 诫雌 卿成叨 该系 统接 收器 和发 送 器 采用 旋 转 变压器组成 ， 分精粗测信 号 ， 以 提 高 系 统 的跟 随 精度 用 微 型机取代 原模拟 控制 器 相 敏 整 流输 出偏 差信 号 。 通 过 转 换 器 送 入 微 型 机 ， 经 过 各种 不 同控制 算法计算得 到相 应 控制 量 “ ， 再 由 转 换 器 送 人 功 率 放大 器 ， 以 控 制 接 收 器 的执行 电动机 ， 使它沿 着 消 除 偏差 方 向转动 ， 致使偏 差 趋于 零 ， 达到 完全跟踪 实测相 敏 整 流器 的传 递 函数 ’ ， 为 不 · 接 收器执行 电动 机 的传递 函 数为 兀 · 一 ， 【 其 中 为执行 电动机到输 出轴之 间 的减 速 比 带积 分型 智能随动 系统控制 算法 】 本算法 是 针 对原 无波纹最小 拍 随动系 统 中存在 齿 轮 间 隙死 区 ， 影 响系 统快速性 而提 出来 的 我们采 用 人工 智 能 和 控 制理 论相 结 合 的方 法来解 决这 个 问题 实践证 明这 种方法 较大幅 度地提高 了系 统响应速 度 ， 消除静 止 时抖 动现 象 ， 得 到 较 好 的控 制效果 带积分型智能控制 原理框 图如 图 所 示 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 坛〔 矛 梅囚 叫 丁而￡〕 图 带积 分型 智能随动 系统原理框图 瑰 犯 州团户 叹侧生 山吧闭 肠 加回旬成 州肠诫嗯 舒劝图 初山 加峡四位扣

182 北京科技大学学报 第16卷 智能控制器由知识库、推理机和控制决策组成， 2.1知识库 知识库包括用来解决某领域问题的专家知识、书本知识和经验（包括事实和规则）.事 实是检测到的被控对象特征和一些先验知识，如操作人员给定的一些参数、比例因子、被控 量大小、偏差或偏差导数大小等，规则采用产生式规则，它是若干“前提一行动”组成知 识推理规则集合，本系统根据随动系统过去运行的一些经验建立规则集如下： IF e<A THEN U(k)=U(k-1)+K[e(k)-e(k-1)] IF e<B THEN U(k)=U(k-1)+K[e(k)-e(k-1)] IF e<C THEN U(k)=U(k-1)+K[e(k)-e(k-1)] IF e<E THEN U(k)=0 IF e=0 THEN U(k)=0 其中A、B、C、E和K、K2K…由调试和经验确定，为系统编差量，U(k)为系统 本时刻输出的控制量· 2.2推理和控制决策 一个智能控制系统运行过程中，寻找可用规则是规则集历遍过程.找到一条规则后，对 条件进行测试，即把条件部分和知识库中事实进行匹配，若匹配成功则执行右部，若条件不 满足转向下一条规则，直到找到可用规则为止·这种匹配可能产生冲突· (1)有n个产生式规则的左部都能和当前知识库中事实匹配成功； (2)有m组不同事实都能和一条产生式规则左部匹配成功， 本系统在进行正向推理时，采用固定顺序法来解决匹配冲突问题，即把所有产生式规则 排成一个全序，当发生匹配冲突时，按这些次序选取产生式规则.正向推理决策可表示为： I:IF e<A THEN U(k)=U(k-1)+K[e(k)-e(k-1)]GOTO I END IF e<B THEN U(k)=U(k-1)+K[e(k)-e(k-1)]GOTO I END IF e<C THEN U(k)=U(k-1)+Kle(k)-e(k-1)]GOTO I END IF e<E THEN U(k)=0 GOTO I END IF e=0 THEN U(k)=0 GOTO I END 其中1表示整个规则集· 为了便于和带积分型智能控制算法比较，又设计了无波纹最小拍控制算法、增量数字 PD控制算法和数字PI控制算法·其相应的差分方程为： Uk)=-0.418e(k-1)+3.59e(k)-1.321e(k-1) (3) △Uk)=K(ek)-e(k-1)】+K,e(k)+K[ek-1)-2ek-1)+ek-2) (4) U(k)=U(k-1)+(K+K)e(k)-Ke(k-1) (5) 由(3)式编制无波纹最小拍控制程序；由(4)式编制数字PD控制程序；由(5)式 编制数字PI控制程序

北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 智能控制器 由知 识库 、 推理 机和 控制决策组成 知识库 知 识库 包括 用 来解 决某 领 域 问题 的 专 家 知 识 、 书 本 知 识和 经 验 包 括 事 实 和 规则 事 实是检测 到 的被控 对象特征和 一些先 验知 识 ， 如操作人 员给定 的一些参数 、 比例 因子 、 被控 量大小 、 偏 差 或偏 差 导数大小等 规则 采 用 产 生 式规则 ， 它 是 若干 “ 前提一行 动 ” 组 成 知 识 推理规则集合 本 系 统根 据 随动系 统过去 运行 的一些 经验建立规则集如下 。 一 一 一 。 一 凡 一 一 。 一 凡 一 一 】 其 中 、 、 、 … 和 凡 、 凡 、 凡 … 由调 试和 经验确 定 ， 。 为 系 统编 差量 ， 为 系 统 本 时刻 输 出的控制量 推理和控 制决策 一个智 能控制系 统运行过程 中 ， 寻 找可用规则是规则集历遍 过程 找到一 条规则后 ， 对 条件进行 测 试 ， 即把条件部分和 知识库 中事 实进行 匹 配 ， 若 匹 配成 功则 执行 右部 ， 若条件不 满足转 向下 一条规则 ， 直到 找到 可 用规则 为止 这种匹 配可 能产生冲 突 有 个产生式规则 的左部 都能和 当前 知识库 中事实 匹 配成 功 有 组不 同事 实都能和 一条产生式规则左部 匹 配成功 本 系 统在 进行正 向推理 时 ， 采用 固定顺序法来解 决 匹 配冲 突 问题 ， 即把所有 产 生式规则 排成一个全序 ， 当发生 匹 配冲 突时 ， 按这些次序 选取产生式规则 正 向推理决策可表示 为 正 一 筑 一 一 』 卫 一 凡 一 一 』 一 凡 汇 一 一 】 其 中 表示 整 个规则集 为 了 便于 和 带积分 型 智 能控 制 算 法 比 较 ， 又 设 计 了 无 波 纹 最 小 拍 控 制 算 法 、 增 量 数 字 控 制算法 和数字 控 制算 法 其相 应 的差 分方程 为 一 一 儿 一 一 △ 药 一 一 』 长 凡 【 一 一 一 一 一 ， 凡 一 筑 一 由 式编 制 无波纹最小 拍 控 制 程序 由 式编 制 数 字 控 制 程 序 由 式 编制数字 控制程序

第2期 王顺晃等：带积分型的智能随动系统 183: 3系统软件设计和波形分析 本系统采用模块化程序设计技术，适用于各种机型.其程序框图如图3所示· START 置初值，CTC 初始化 乘法子程序 开中断 主 PI控制算法子程序 序 中断否？ PD控制算法子程序 Y中断服务程序 保护现场，数据采集 无波纹最快响应控制 数字滤波 算法子程序 调用各种类型控制算法 带积分型智能控制 算法子程序 恢复现场开中断 中断返回 图3数字随动系统程序框图 Fig.3 Program block diagram of digital following system 在实验室测试了各种指标，得到如下的结果， (1)静态指标在同一条件和速度(0.08d/s)下，测得模拟随动系统速度跟随误差 约为9.06V;数字PI、数字PD、无波纹最小拍和带积分型智能控制速度跟随误差约为6.53V. (2)动态指标不同控制算法，系统在单位阶跃输入过渡过程波形如图4所示， 摸拟PD波形 s s 图4数字随动系统的系统输出y()波形（时标为0.1s) Fig.4 The output waveform of digital following system time-normal is 0.1s)

第 期 王 顺晃等 带积分 型 的智能随动系 统 系统软件设计和 波形分析 本 系 统采 用模 块 化 程 序 设计技 术 ， 适 用 于 各 种 机 型 其程 序 框 图如 图 所示 置初值 ， 初始化 保护现场 ， 数据采集 数字滤波 调用各种类型控制算法 恢复现场口干中断 序程主 无波纹最快 响应控制 算法 子程 序 带积分型智 能控 制 算法 子程 序 中断返 回 图 数字 随动 系 统程序框图 瑰 巧卿朋 点犯 业卿仙 由颐回 匆 耐雌 攀阳 在 实验 室测 试 了各种 指标 ， 得 到如下 的结果 静态指标 在 同一条件和速度 下 ， 测得 模拟 随动 系 统 速 度 跟 随误 差 约 为 从 数字 、 数字 、 无波纹最 小 拍和 带积 分型 智能 控制 速度跟 随误差 约为 动 态指标 不 同控制算法 ， 系 统在单位 阶跃输 入过 渡过程 波形 如 图 所示 曰口 尸尸 户产 产尸 ，曰曰 曰 似 〕正，彼形 … 埃 日日万「厂厂厂口「… … 带】 厂日口口口口口 日积 蛋兰己脸匙 月波天形 曰 图 数字随动 系统的系统输出 波形 时标为 瑰 触 阅如成 粉 创 电怕 州 铺魂 邓妇 石 犯 一 阅刀司

·184 北京科技大学学报 第16卷 由波形图可知，过渡过程时间分别为：模拟PD控制算法为Is;数字PI和PD控制算 法为0.8s；无波纹最小拍控制算法为0.7s；积分型智能控制算法为0.4s.因此，带积分型 智能控制响应最快，其次是无波纹最小拍，再次是数字PI和PD,最慢是模拟PD.这就说 明，计算机参与过程控制不仅简化设备，降低成本，而且明显地提高了系统的快速性· 4结论 通过实时控制结果表明，带积分型智能控制不依赖于被控制对象的数学模型，对系统参 数变化有较强的适应性，取得较好的效果.它适用于轧钢压下控制、转炉炼钢氧枪位置控制、 飞剪控制、雷达天线跟踪和仪表指示等重要工业过程控制， 参考文献 1王顺晃等，微机化最小拍随动系统，北京钢铁学院学报，1988,10(3)：353 2王顺晃等.单板机控制的随动系统.冶金自动化，1988，(1)：50 3 Astrom K J,Anton T J,Arzer K E.Expert Control.Automatic,1986,22(3),161 北京科技大学学报（英文版）公开出版 北京科技大学学报（英文版）经5个多月的筹备，已于1994年1月经国家科委批准公开 出版，现已开始组稿，北京科技大学学报（英文版）定为半年刊，于每年6月、11月出 版.本刊主要刊登我校重点学科的最新科研成果，欢迎投稿

北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 由波形 图可 知 ， 过 渡过程 时 间分别为 模拟 控制算法 为 数字 和 控 制算 法 为 无波 纹最小 拍 控制算法 为 积分型 智 能 控 制 算 法 为 因 此 ， 带 积 分 型 智 能控制 响应最快 ， 其次是 无波 纹最小拍 ， 再次是 数字 和 ， 最慢 是 模 拟 这 就 说 明 ， 计算机参与过程 控 制 不仅简化设备 ， 降低成本 ， 而且 明显地 提高 了系 统 的快速性 结 论 通过 实 时控制结果表 明 ， 带积分型智能控制不 依赖于被 控制 对象 的数学模 型 ， 对系 统参 数变化有较强 的适应性 ， 取得 较好的效果 它 适 用于 轧钢压下 控 制 、 转 炉炼钢 氧枪位置控 制 、 飞剪控制 、 雷达天线跟踪 和 仪表指示 等重要工 业过程控制 参 考 文 献 王顺晃等 微机化最小拍 随动系 统 北京钢铁学 院学报 ， ， 王 顺晃等 单板机控制 的随动系统 冶金 自动化 ， ， 印 加 ， 八刀 ， 户‘ 配 习 以 ， ， ， 北京科技大学学报 英文版 公开 出版 北京科技大学学报 英文版 经 个多月 的筹备 ， 已 于 年 月经 国家科 委 批 准 公 开 出 版 ， 现 已 开 始 组 稿 北 京 科 技大 学 学 报 英 文 版 定 为半 年 刊 ， 于 每 年 月 、 月 出 版 本 刊 主要 刊登我校重点学科 的最新科研成果 ， 欢迎投稿