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1、热轧带钢宽度的专家控制系统设计摘 要在钢铁生产工业中，轧钢生产是制成钢材的主要生产环节，也是钢铁生产全部工艺过程的质量水平的标志，因此，提高轧钢生产技术状况，关系到钢材的产量、质量、品种和效益，也直接影响到国民经济各行各业的发展。而热轧带钢宽度精度是热轧产品质量的重要指标之一，良好的宽度精度不仅可以提高产品的成材率，而且将给热轧用户及后部工序创造更好的生产条件，因此宽度控制是钢铁企业在设备能力一定的情况下，提高成品的质量的重要保证。专家系统理论与技术的迅速发展及其在控制工程中的应用，为智能控制开辟了一个新的研究方向。专家控制的出现，改变了传统的控制系统设计中单纯依靠数学模型的局面，使知识模型与
2、数学模型相结合，知识信息处理技术与传统的信号处理技术相结合，它是人工智能与控制理论、方法和技术相结合的典型产物。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。本文以某钢铁企业1549mm热连轧厂为实际研究对象，针对在带钢侧压和水平轧制变形的特点和工艺参数，采用专家PID 控制器对热轧带钢的粗轧机部分进行宽度控制，分析总结引起宽度变形的主要因素，根据热轧带钢的宽度控制机理,设计出带钢热连轧生产过程中宽度专家控制系统，使带钢的宽度精度达到90%，使成品卷沿全长宽度公差达到允许范围之内。关键字：热轧带钢；宽度控制；专家PID控制器Des
3、ign of the expert control system of the hot rolling strip widthAbstractIn the production of steel, rolled steel is the main production link and can show the quality of the whole processes. Therefore, to improve the production technique of rolled steel relates to the quantity, quality, species and ef
4、ficiency of the steel and has a direct bearing on the development of national economy.The width and accuracy of the hot rolling strip is one of the most important index of quality of hot rolling products. Fine width and accuracy can not only increase the finished product ratio, but also provide bett
5、er production conditions for users and post processes. Therefore, given certain equipment capability of a steel enterprise, width control is the key to improving the quality of products.Expert System for the rapid development of theory and technology and its application in control engineering for in
6、telligent control opened a new research direction. The emergence of expert control, changing the traditional control system design, the situation of relying solely on mathematical models, mathematical model of the knowledge model and the combination of knowledge and information processing technology
7、 and traditional signal processing technology, it is the artificial intelligence and control theory, methods and techniques typical product of the combination. It has been widely used in fault diagnosis, industrial design and process control, industrial control problems to solve to provide a new app
8、roach is to achieve an important industrial process control technology.Taking a 1549mm hot rolling plant of a steel enterprise as the actual research object, this text studies the features and parameters of strip side pressure as well as horizontal rolling, analyzes the main factors which cause the
9、change in width, and designs the width expert control system in hot rolling production based on the hot strip width control mechanism so as to make the width and accuracy reach 90% and to maintain the full width tolerance of the finished products within permitted range.Keywords ：Hot rolling strip；wi
10、dth control；expert installation PID control第一章 绪论1.1本论文研究的背景与意义1.1.1论文背景21世纪是科学技术飞速发展和经济全球化的时代，近30年来，工业发达国家在提高质量降低成本的基础上，产钢水平基本保持不变，而世界钢产量的提高，主要是我国等发展中国家的增产造成。在钢铁工业各种产品中，板带材是最主要的材料。在一些工业先进国家中，钢板产量占总产量的5060，而且90的钢、有色金属等各种带材是经过CLN方法生产的，因而对于板带材的轧制技术和理论是至关重要的1。带钢热连轧除了要保证成品带钢的厚度精度、终轧及卷取温度、凸度及平直度外，还需保证带钢的
11、宽度精度。热连轧带钢的成品宽度精度已成为一项十分重要的技术指标热轧板带宽度的精确控制不仅可以降低带钢的切边损耗，提高板带的成材率，而且为进一步剪切加工、准确控制切边量创造条件。因此，宽度控制技术的开发与应用对节能降耗、提高经济效益尤为重要传统宽度控制设备和技术主要集中在粗轧机组，粗轧机组出口目标宽度由成品目标宽度减去根据经验得到的精轧宽度变化量预测值。精轧宽度变化量随轧制条件的不同而不同，很难准确预测，这就造成粗轧目标宽度不准确另外，精轧机组内存在各种影响带钢宽度变化的因素，而且离开粗轧机组后没有宽度控制手段，中间坯通过精轧机组后，其宽度偏差和沿长度方向宽度波动将被放大2。为了满足高精度宽度控
12、制的要求，必须在精轧机组对宽度进行控制。由于国内钢铁厂仅在精轧机组出口设置测宽仪，且精轧末机架中心线到测宽仪的距离较远，为大时滞过程，较难控制；而且轧制速度为一不确定量，导致时滞具有不确定性。另外，张力与宽度的动态特性本质上是非线性的，由于钢材规格、设备及运行环境变化等因素，使对象还存在不确定性(参数、模型)；而且干扰因素较多，各种工艺参数和设备参数的变动以及轧件沿长度方向上尺寸、温度不同，都会引起带钢宽度的变化，难以获得精确的数学模型。可见，传统宽度控制技术已经不能满足要求。1.1.2研究意义 带钢热连轧宽度控制的分析与研究，是一项具有很强实际意义和工程实用价值的工作。它可以作为指导现场对于
13、宽度控制设备与工艺的应用与分析，达到宽度自动控制的目的。随着连铸坯的普遍使用，浇注太多不同宽度板坯将过多地降低连铸机的效率和生产率，提高库存费用。浇注较少的几种宽度并根据订货做大幅度压缩宽度可以解决这些问题，但要求扩大热轧立辊轧机的宽度变化量，而立辊轧机的大幅度减宽将会引起尾部严重变窄，这将导致过度纵裂或切头损失同时，由于加热炉再加热不均匀，当为提高产量将纵裂间距减小时，轧件宽度变化就变得非常明显。因此，如何控制办宽变化量、减小切损、解决连铸坯与粗轧之间的工艺过渡问题，是热带钢厂改造必须解决的重要课题。板坯宽度不均，温度不均都将带来带钢宽度误差。精确地控制带钢宽度可以减少切边量，提高带材收得率
14、。带钢的宽度在精轧区是难以调整的，宽度调整主要靠初轧区的立辊轧机来完成。粗轧区的宽度自动控制对于节约材料和能源以及提高对来料板坯的适应性具有重要的意义。对于一般轧机来说3，宽度偏差每减小1 mm，成材率就可以提高0.1%，因此，宽度控制技术可显著提高经济效益。采用宽度控制技术后，就会减小轧机和连铸机的生产计划的限制，增加加热炉料热装量，提高连铸机的生产率，减少板坯库存量，降低纵裂损失和减少卷取机修理和订货的再请求(重新排产)的次数。所以在热带钢生产过程中，为了扩大产品规格，提高产品质量，粗轧宽度控制技术正在得到越来越多国家、企业的重视。因此，本论文的目的及意义在于：带钢热连轧宽度控制是热带钢生
15、产的必要手段，宽度控制的应用能够提高产品的产量和质量；宽度控制是钢铁企业在设备能力一定的情况下，提高成品的收得率，减少切头切尾损失的重要保证；本论文的研究可以为现场提供一些解决实际问题的方法；并用于减少带钢在轧制过程中所产生的宽度偏差，实现良好的板形。1.2研究现状1.2.1带钢宽度国内外研究现状轧材的宽度变化基本有两种情况：一是轧边过程中形成的板材端部宽度短缺；二是板坯加热不均或加热炉滑道黑印造成的宽度偏差。因此，世界范围安装的宽度控制系统配置各不相同，但大多使用类似的方法用两种独立的控制策略控制轧件头尾和中部，即头尾部的短行程控制和轧件定常部的宽度自动控制系统(包括前馈控制、轧制力反馈控制
16、、宽度动态设定等)，这两种策略各有其应用范围，也是目前研究的重点。日本、德国等国家相继开发了一系列宽度自动控制系统，例如日本三菱重工开发了前馈宽度自动控制系统；日本新日铁、德国西门子公司也都相继开发了自动宽度控制系统；德国赫斯钢铁公司开发了应用于三机架精轧机的自动宽度控制系统等。宽度自动控制系统在热连轧机机组中得到了广泛的应用并取得了明显的效果。多法斯科 2 号热带钢轧机在 1990 年采用宽度自动控制系统获得了极大的成功，使精轧机出口处的平均头部变窄，由于精轧机宽度反馈，这一减小使直接产量损失减少了 0.2%，从而确保了设定目标。日本鹿岛制铁所粗轧机组应用宽度控制技术后，宽度得到了明显的提高
17、。近年来，我国各大型钢铁公司连铸坯比例逐年增加，宝钢 2050 和 1580热轧生产粗轧机组均采用了短行程控制、反馈自动控制、前馈自动控制等宽度控制技术，1580 热轧生产线还采用来当今世纪最先进的板坯定宽侧压机(简称 S/P)及精轧机前小立辊 FLE、粗轧 R1/E1、R2/E2 等控制设备和相应的检测设备。在国家“运用现代科学技术，特别是电子信息和自动化技术改造传统产业”的方针指导下,我国钢铁工业自动化取得了长足进步。引进了大批的DCS(集散控制系统) 技术、PLC(可编程控制器) 技术、FLC(模糊逻辑控制) 技术、低成本控制技术、智能控制技术、工业网络技术、工业总线技术、PDM(产品数
18、据管理) 技术、FA (工厂自动化) 、ES(专家系统) 技术、CIMS(计算机集成制造系统) 技术、CAD(计算机辅助设计) 技术、CAM(计算机辅助生产) 技术等新技术和技术产品,逐步缩小了与国外先进技术的差距。在消化吸收先进技术，创新应用于国内钢铁工业的过程中，积累了技术和经验,培养和锻炼了大量的专家和优秀人才,提高了国产化水平。一些工厂与工序已达到世界先进水平。宝钢一、二期工程、天津钢管公司、马钢的高速线材工程、成都无缝钢管厂圆坯连铸连轧机组、珠江钢厂的薄板坯连铸连轧和鞍钢1780m热连轧带钢等一批引进的装备和技术提高了我国钢铁工业自动化水平。我国科技工作者在消化、移植国外先进技术的基
19、础上,自主开发、设计、建设了武钢1700 热轧计算机控制系统、鞍钢1700 热连轧带钢生产自动化控制等一批具有国际水平的钢铁工业自动化工程。 自行研制的装备和控制系统以及数学模型已经实用化在检测仪表方面有:高炉单支管煤粉两相流量计、铁水温度和硅含量连续检测仪、炉内料面温度热成像仪、微波料面形状计、炼钢连铸的测渣仪、转炉的声学化渣测量仪、结晶器开口度及倒锥度测量仪、连铸辊间距测量仪、板带轧机的激光测量仪和板型仪等;在控制系统方面有:焦炉加热自控系统、高炉信息调度系统、炼钢直流电弧炉控制系统、铁合金炉电极压放和上料系统、全连铸生产调度系统、板坯方坯连铸自控系统、电炉全连铸热送热轧生产线过程自控系统
20、、水平连铸自控系统、中板和冷热板带轧机的液压AGC 系统等;在数学模型方面有:高炉炉况预报GO STOP模型、软熔带推断模型、炉热推断模型、炉料下降仿真模型、焦炉加热模型、均热炉烧钢模型、冷轧设定模型等等。 济钢1700mm中薄板坯连铸连轧生产线采用了鞍钢1700mm中薄板连铸连轧（ASP）生产工艺和技术，年产300万t。一期工程于2005年底建成投产，二期工程将新上第3台连铸机，3步进梁式加热炉，钢卷平整和分卷机等设备。二期工程完成后年产量将达到350万t左右。 生产线主要装备由120 t转炉，LF精炼炉，2套薄板坯连铸机，2座步进式加热炉，1台带前立辊的四辊可逆式粗轧机，保温罩、切头飞剪，
21、六机架精轧机组，层流冷却装置，2台卷取机及1套钢卷运输系统等设备组成。采用直接热装、液压AGC、液压活套、弯辊、串辊装置，使带钢获得良好的板型和厚度控制精度；卷取机采用液压控制技术以及高响应速度的助卷辊自动跳步控制（AJC）技术，实现带钢精确对中、微张力卷取，减少塔形，同时可消除带钢头部与助卷辊对带钢的压痕；轧制过程采用二级计算机控制，实现了带钢厚度、宽度、板形、终轧温度和卷曲温度的自动控制。攀钢1450mm热连轧机组粗轧区由两台粗轧机组成，每台粗轧机由立辊轧机和水平辊轧机组成，粗轧主要通过立辊的侧压来控制中间坯的宽度，从而达到控制精轧出口带钢的宽度;粗轧机在奇道次轧制时，中间坯宽展由立辊挤压
22、后进行轧制产生的宽展与水平辊轧制时产生的宽展组成偶道次轧制时，立辊打开，只有水平辊轧制时产生的宽展。中间坯的宽展决定了中间坯各道次的出口宽度，而宽展又受到原始坯料宽度、厚度、轧辊直径、压下量、侧压量、温度等多方面因素的影响，致使中间坯宽度在全长方向上变化不均，尤其是头尾的变化较大。为了得到理想的中间坯宽度形状，攀钢1450mm热连轧机安装了长行程伺服阀液压缸控制立辊开口度的自动宽度控制(AWC)系统，主要功能包括中间坯头尾短行程控制、形状补偿控制和温度补偿控制功能。利用跟踪系统激活自动宽度控制模型系统和各道次的自学习功能，通过通信系统获得精轧的规程设定，用来确定粗轧的出口宽度，并利用精轧出口的
23、实测宽度反馈快照数据进行自学习计算，控制精轧出口的带钢宽度。1.2.2专家控制系统的研究现状 在早期的专家控制系统的研究中，系统整体设计和实现往往是以专家系统的框架为背景，采用专家系统的计算机语言和专家系统设计形式，甚至直接应用专家系统整机，这大大限制了专家控制的应用与发展。随着研究的深入，专家控制系统已经打破了实时控制专家系统的模式而专注于启发式控制知识的开发。在这种系统中，采用常规的控制器设计形式，用常规软件编程语言和编程方法，构造知识库和推理算法。这种设计是目前专家控制研究的主流。 “专家控制的概念是瑞典学者Astrom 1986年在他的论文“Expert Control首次提出的4。与
24、其它新颖的技术、方法一样，专家控制的理想目标既难于全面实现，也不可能一步到位。在研究和应用的实际进展中往往都是各有侧重。结合国外一些学者的工作，专家控制的研究状况大致可按三方面进行分类(1) 按问题领域的背景用于过程控制的实时专家系统，即一般专家系统技术在过程控制环境下的实时运用。如Wright(1986)，完成了实时专家系统在微机环境下的设计与实现，并提出一种“渐近推理”技术，即设置集中复杂程度不等的层次推理过程，为了实时决策，从顶层往下推理，如果时间允许，则继续更为精确的推理，否则，接受上层的决策。用于自适应控制器或非自适应控制器的监督式专家控制。例如Carmon(1986)，根据控制系统
25、工程师和操作人员的经验，总结PID控制器的参数调整知识，以调整规则的形式存于知识库，同时构造模式分类器，识别系统运行期间对象的特征行为，推理机利用调整规则和模式类比调整PID参数，整个调整过程在线、实时的进行。(2) 按控制作用的理论根据基于模糊规则的控制方法5。例如美国学者RTong(1984)，试图模拟操作人员对受控过程的手动控制策略，把不同工况下选择不同控制信号的经验表示为定性的语言变量规则，即模糊规则，完全取代了一般的控制算法。基于一般控制理论知识和经验知识的结合，扩展传统控制算法的范围。例如瑞典学者Astrom(1984)，把有关自调整和自适应的启发式知识编入知识基系统，克服现有自适
26、应控制器的不足，这类研究典型地体现了专家控制原理的本质。(3) 按控制系统的实现技术专注于启发式控制知识的开发。例如产生式规则，其实现方式基本上仍采用常规的软件编程技术。例如固定次序的“Case by Case方式。Araus&Myron(1984)等人的工作具有这类特点。专家系统的技术不但用于知识的表示，而且还用于实现，即控制系统的整体结构基本上与一个专家系统相同，或者是若干专家系统模块的组合，Astrom(1984)、Porter(1987)及Arzen(1989)等人的工作已达到了这种水平6。1.3主要影响粗轧带钢宽度精度的因素现在影响粗轧带钢宽度精度的因素主要有5: 带材的厚度变化、宽
27、度变化、温度变化、机架刚度等。具体表现在：轧件温度、化学成分、来料宽度的波动。板坯在加热炉加热时由于水梁影响会在板坯上产生水印(相对温度较低的点)，坯料化学成分变化、长度方向上的宽度变化等将产生轧制力波动，从而导致立辊有载辊缝的改变，对宽度精度造成扰动。1）模型命中精度当采用GM AWC时，如果预测轧制力和实际轧制力偏差较大时，将直接影响到中间坯宽度精度。2）液压辊缝调节系统响应特性的影响立辊保持恒辊缝轧制时，在头尾将形成两个非稳定段，该段必须在CS剪切掉，这对金属收得率和精轧的穿带造成直接影响 3）精轧活套的张力控制，活套的起套控制和张力控制将对带钢产生拉窄效应。4）卷取机速度控制到张力控制
28、的平滑切换，如果切换存在冲击，将会对成品带钢行程局部拉窄。1.4本论文的主要研究内容本设计针对侧压和水平轧制变形的特点和工艺参数，分析总结引起宽度变形的主要因素，根据热轧带钢的宽度控制机理,设计出带钢热连轧生产过程中宽度专家控制系统，使带钢的宽度精度达到90%，使成品卷沿全长宽度公差达到允许范围之内。主要方面分为以下内容：1）了解轧钢设备的基本知识，熟悉热轧带钢生产工艺及控制流程；2）全面深入分析影响板带宽度的各种因素，掌握板带宽度的控制机理；3）通过大量查阅相关文献资料，了解目前热轧带钢宽度控制的最新方法，并进行初步的评价；4）学习掌握专家控制系统的基本组成和工作原理，以及设计专家控制系统的
29、关键技术；5）针对目前带钢热轧生产过程中相关宽度控制存在的问题，通过借鉴国内外最新的控制方法，设计出合理有效的专家宽度控制策略。1.5本章小节 本章主要介绍了带钢宽度国内外研究现状，同时分析了影响带钢宽度精度的主要因素，并提出了本论文的主要研究内容。第二章 专家控制理论的研究2.1 专家控制的基本思想专家系统理论与技术的迅速发展及其在控制工程中的应用，为智能控制开辟了一个新的研究方向，即专家控制(expert control )简称EC，又称专家智能控制7。所谓专家控制，指将专家系统的理论和技术同控制理论、方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控制。专家控制的出现，改变了
30、传统的控制系统设计中单纯依靠数学模型的局面，使知识模型与数学模型相结合，知识信息处理技术与传统的信号处理技术相结合，它是人工智能与控制理论、方法和技术相结合的典型产物。专家控制系统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。基于专家控制的原理所设计的系统或控制器，分别称为专家控制系统或专家控制器。专家知识知识库推理机输入或提问答案图 2-1 专家系统简化结构图专家控制=自动控制理论和方法+人工智能专家系统技术实际控制系统中存在的启发式逻辑本质上是实现控制目标的各种规律性经验知识。这些经验知识难以用一般的数值形式表达，而适宜于用符号
31、形式加以描述；再者，这些知识既不能简单地罗列，又难以用解析的方法综合，因而必须给予恰当的组织，并能自动地进行推理。人工智能中的专家系统技术恰恰为这类经验知识的表示和处理提供了有效的方法。人工智能领域中发展起来的专家系统是一种基于知识的、智能的计算机程序系统。专家系统有两个要素：知识库存储某个专门领域中经过事先总结的按某种格式表示的专家水平的知识条目；推理机制按照类似专家水平的问题搜索求解方法，调用知识库中的条目进行推理、判断和决策。专家系统的知识库与推理机在组织结构上分离建造，而在运行过程中又相互作用，这使得系统具有极大的灵活性；知识的增删、修正和更新独立于推理机制，推理的结论和根据可以通过接
32、口与系统外部交互，因而专家系统还具有很好的透明性。总之，专家系统将专门领域中的问题求解思路、经验、方式组织成一个实际运行的形式系统，表现出一种拟人的智能性，它与传统的自动控制理论和方法结合，形成了专家系统控制的基本思想。将专家系统技术引入控制领域，首先必须把控制系统看作是一个基于知识的系统，而作为系统核心部件的控制器则要体现知识推理的机制和机构8。2.2 专家控制器的基本要求 一般的来说，专家控制系统没有统一的和固定的要求，基本上所有的专家控制系统的要求都是由具体的控制对象所决定的，但是，就其专家控制本身来说，还有一些综合性的要求：(1)要有很强的决策能力专家控制系统在需要的时候要具有处理不完
33、全性、不精确性、和不确定性问题的能力，因而，要求专家控制系统具有不同水平的决策能力，以便在遇到不同的情况下能够处理不同的问题，而且基于知识的控制系统的关键能力之一就是决策。(2)要运行可靠对于一些独特的装置或者系统，如果利用专家控制系统来代替普通的控制系统，那么整个控制系统的将变得非常的复杂，这种复杂性主要体现在硬件的结构上，它的运行结果常常会降低系统的可靠性。所以，要求专家控制系统要具有较高的运行可靠性，同时，专家控制系统还需要具备便捷的监控能力。(3)要有较好的应用通用性如果专家控制系统的应用通用性比较差，那么很明显每一种被控对象都需要专门的专家控制器，这将增加控制的成本。因而在确保专家控
34、制器控制效果的同时还要保证它具有比较好的应用通用性。应用通用性包括易于开发、实例多样、多种推理机制并存、便于混合知识表示，以及开放式的可扩充结构等。(4)控制与处理的灵活性此要求包括控制策略的灵活性、数据管理的灵活性、经验表示的灵活性、模式匹配的灵活性、解释说明的灵活性以及过程连接的灵活性。(5)具有拟人能力既然设计的是专家控制系统，那么该系统就应该达到该领域专家的水平。2.3 专家控制系统设计原则1）模型描述的多样性模型描述的多样性原则就是指在设计过程中，被控对象和控制器的模型应采用多样化的描述形式，不应该拘泥于解析模型。现有的控制理论对控制系统的设计基本上都依赖被控对象的数学模型。在专家控
35、制系统的设计中，由于采用了专家系统的思想，能够处理各种定性的与定量、精确的与模糊的信息，因此允许对模型采用多种形式的描述。这些描述形式主要有： 解析模型，主要表达方式有：微分方程、差分方程、传递函数、状态空间表达式和脉冲传递函数等。 离散事件模型，用于离散系统，并在复杂系统的设计和分析方面找到更多的应用。 模糊模型，在不知道对象的准确模型而只掌握了受控过程的一些定性知识时，用模糊数学的方法建立系统的输入和输出模糊集以及它们之间的模糊关系则比较方便。 规则模型，产生式规则的基本形式为IF (条件) THEN（操作或者结论）这种基于规则的符号化模型特别适用于描述过程的因果关系和非解析的映射关系等。
36、它具有较强的灵活性，可方便地对规则加以补充或修改。 基于模型的模型，对于基于模型的专家系统，其知识库含有不同的模型，其中包含物理模型和心理模型，而且通常是定性模型。这种方法能够通离线预计算来减少在线计算，产生简化模型使之与所执行的任务逐一匹配9。总之，在专家控制器的设计过程中，应根据不同情况选择一种或几种恰当的描述方式，以求更好的反应过程特性，增强系统的信息处理能力。2）在线处理的灵巧性专家控制系统的重要特征之一就是能够以有用的方式来划分和构造信息。在设计专家控制器时应注意对过程在线信息的处理和利用。在信息存储方面，应对那些对做出控制决策有意义的特征信息进行记忆，对于过时的信息则加以遗忘；在信
37、息处理方面，应把数值计算和符号运算结合起来；在信息利用方面，应对各种反映过程特征的特征信息加以抽取和利用，不能仅限于误差和误差的一阶导数。灵活的处理与利用在线信息将提高系统的信息处理能力和决策能力。3）控制策略的灵活性控制策略的灵活性是设计专家控制器所应遵循的一条重要原则。工业对象的时变性与不确定性以及现场干扰的随机性，要求控制器采用不同形式的开环与闭环控制策略，并能通过在线获取的信息灵活地修改控制策略或者控制参数，以保证获得优良的控制品质。此外专家控制器中还应设计异常情况处理的适应性策略，以增强系统的应变能力。4）决策机构的递阶性专家控制系统是一种人工智能智能的控制器，和人的神经系统有相似之
38、处。众所周知，人的神经系统是由大脑、小脑、脑干和脊髓组成的一个分层递阶决策系统。以仿智能为核心的智能控制，其控制器的设计必然要体现分层递阶的原则，即根据智能水平的不同层次构成分级递阶的决策机构。5）推理与决策的实时性在现代的工业生产中，基本上所有的控制系统都要有这一特点，当然专家系统也不例外。就其专家控制系统而言，要想具有上述特点，它的知识库的规模就不应该过大，推理机构要尽可能的简单，以满足实时性的要求。2.4 专家控制器的结构组成 专家控制系统因应用场合和控制要求的不同，其结构也可能不一样。然而，几乎所有的专家控制系统（控制器）都包含知识库、推理机、控制规则集和控制算法等。图2.2给出了一种
39、工业专家控制器的框图10。 图2-2 工业专家控制器结构框图专家控制器(EC)的基础是知识库(KB)，KB存放工业过程控制的领域知识，由经验数据库(DB)和学习与 适应装置(LA)组成。经验数据库主要存储经验和事实。学习与适应装置的功能就是根据在线获取的信息，补充或修改知识库内容，改进系统性能，以便提高问题 求解能力。控制规则集(CRS)是对被控过程的各种控制模式和经验的归纳和总结。由于规则条数不多，搜索空间很小，推理机构(IE)就十分简单，采用向前推理方法逐次判别各种规则的条件，满足则执行，否则继续搜索。特征识别与信息处理(FRIP)部分的作用是实现对信息的提取与加工，为控制决策和学习适应提
40、供依据。它主要包括抽取动态过程的特征信息，识别系统的特征状态，并对特征信息作必要的加工。专家控制器的输入集为：E = (R, e, Y, U); e = R - Y式中，R为参考控制输入，为误差信号，Y为受控输出，U为控制器的输出集。EC的模型可用下式表示：U = f (E,K,I)智能算子f为几个算子的复合运算：f=ghp其中，g:ES；h:SKI；p:IUg、h、p均为智能算子，其形式为： IF A THEN B其中，A为前提或条件，B为结论。A与B之间的关系可以包括解析表达式、Fuzzy关系、因果关系和经验规则等多种形式。B还可以是一个子规则集。 2.5 专家系统的建造步骤成功地建立系统
41、的关键在于尽可能早地着手建立系统，从一个比较小的系统开始，逐步扩充为一个具有相当规划和日臻完善的试验系统12。建立系统的一般步骤如下：设计初始知识库知识库的设计是建立专家系统最重要和最艰巨的任务。初始知识库的设计包括：(a) 问题知识化，即辨别所研究问题的实质，如要解决的任务是什么，它是如何定义的，可否把它分解为子问题或子任务，它包含哪些典型数据等。(b) 知识概念化，即概括知识表示所需要的关键概念及其关系，如数据类型、已知条件（状态）和目标（状态）、提出的假设以及控制策略等。(c) 概念形式化，即确定用来组织知识的数据结构形式，应用人工智能中各种知识表示方法把与概念化过程有关的关键概念、子问
42、题及信息流特性等变换为比较正式的表达，它包括假设空间、过程模型和数据特性等。(d) 形式规则化，即编制规则、把形式化了的知识变换为由编程语言表示的可供计算机执行的语句和程序。(e) 规则合法化，即确认规则化了知识的合理性，检验规则的有效性。原型机（prototype）的开发与试验在选定知识表达方法之后，即可着手建立整个系统所需要的实验子集，它包括整个模型的典型知识，而且只涉及与试验有关的足够简单的任务和推理过程。知识库的改进与归纳反复对知识库及推理规则进行改进试验，归纳出更完善的结果。经过相当长时间的努力，使系统在一定范围内达到人类专家的水平。2.6 本章小节本章对专家控制的基本原理、基本思想
43、和控制目标进行了分析；阐述了专家控制系统的基本结构及其特点；对适合于本文的专家控制系统进行了研究；阐述了专家控制的基本思想、专家控制的目标及其与专家系统的差别、专家控制系统的分类、专家控制系统的要求及专家控制系统的设计原则，为专家PID控制器的研究提出了理论依据。第三章 专家PID控制系统的设计及研究 当前，传统的 PID 算法控制应用比较广泛，PID 控制具有许多优点：结构简单，参数调整容易等。在通常情况下，这种控制算法可以达到较好的效果，PID 参数在小波动下可以获得令人满意的系统响应。但是，粗轧机的电液位置伺服系统是一个参数变化较大的非线性系统，在粗轧的不同阶段，控制系统的数学模型甚至都
44、会发生改变。传统 PID 控制三个参数的选择一般是为了在最坏工况下保证系统的稳定性并适用于各个工况。有的 PID 控制器提供了几组参数选择并在彼此间切换。但粗轧机电液位置伺服系统经常要在许多工况之间切换，这些参数不能保证所有工况下都是最优的，因而系统性能就受到了较大的影响 17。专家控制系统具有算法简单，灵活性好，鲁棒性强等优点，但是传统的 PID 控制也有其本身的可取之处。因此引入一种新控制算法专家PID 控制器，它有效的把专家系统和传统的 PID 控制结合起来，达到期望的控制效果。在本章中，设计了专家PID 控制器，并通过Matlab 进行仿真。通过对仿真结果的分析，得出了这种控制器具有棒
45、性强、超调量小和运行平稳等特点的结论。3.1 传统 PID 控制PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元、积分单元和微分单元组成。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ki和Kd）即可20。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。1）比例控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统
46、输出存在稳态误差（Steady-state error）。 2）积分控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3）微分控制 在微分控制
47、中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控
48、对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。传统的控制理论都建立在被控对象精确模型(传递函数和状态方程)的基础上，而对一些复杂系统，建立其数学模型是比较困难的，有时甚至是不可能的，也就无法用传统控制方法实现自动控制，但由人工控制却往往做的比较好。PID 控制器是一种线性控制器，它是通过通知系统的偏差来对系统进行控制，偏差是定值与实际输出值的差值，即：e(k)=r(k)-y(k) （3-1）PID 控制器的控制规律为： （3-2）把上述式子写成传递函数的形式为： （3-3） 在上式中，Kp，Ki和Kd 分别是比例、积分、微分三个控制参数；u(t)为控制器的输入；T 采样周期；e(t) 、e(k)为控制系统的误差。可以将其原理图用 3-1所示：图3-1 传统PID方框图PID 控制器各环
