基于ADAM5510的小型燃气锅炉控制系统设计.pdf

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1、陕西科技大学硕士学位论文基于ADAM5510的小型燃气锅炉控制系统设计姓名：蔡陈赟申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：张玉杰20080501基于A D A M 5 5 1 0 的小型燃气锅炉控制系统设计摘要锅炉控制历来都是自动控制研究领域的热点和难点，随着现代工业技术的快速发展，锅炉的应用更加广泛。锅炉作为一个典型的多输入多输出对象，其燃烧过程是一个多变量多参数相互耦合的复杂过程，其汽水，燃烧过程非常复杂，受多重因素的影响，燃烧与汽水之间也有极其复杂的相互作用关系，同时过程的非线性，大滞后也导致控制系统的复杂性，难以建立精确的数学模型，无法采用有效的预估补偿措施，对于其控制技术

2、的研究有着深远的意义。近年来，我国逐渐淘汰小型燃煤锅炉，全部以燃气或燃煤锅炉进行替代。由于燃气锅炉相对于以往燃煤锅炉具有更高的控制要求，因此必须采用较以往更先进的控制方法。本文针对小型燃气锅炉的燃烧工艺要求和控制特点，研究了基于P L C 控制的锅炉实时监控系统。借助现代计算机技术，实现对锅炉的集中控制，分散管理。主要涉及锅炉控制方法的研究和实时监控系统的设计，以及对如何使用研华控制器进行控制系统设计作了简要的介绍。通过对锅炉系统的结构和工艺流程的系统分析，确定了合理的系统控制方案，包括水位控制和燃烧控制等方案的设计。选用研华公司的A d a m 5 5 1 0P L C 作为现场控制器，该控

3、制器具有性能适中，价格合理，灵活性好等特点。控制系统应用W e b A c c e s s 进行组态，建立一个人机交互界面，并实现P L C和组态软件之间通讯。通过使用远程计算机，实现对现场锅炉运行情况的实时监控和保护，并且记录相应的数据。关键词：锅炉系统；集散控制；A d a m 5 5 1 0；模糊神经网络D E S I G No FC o N T R o LS Y S T E MF o RG A SF I R E DS M A L LT Y P EB o I L E RB A S E DO N A D A M 5 510A B S T R A C TW i t hf a s td e v

4、 e l o p m e n to ft h em o d e mi n d u s t r yt e c h n o l o g y,t h eu s a g eo ft h eb o i l e ri sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e T h e r ei sm u c he c o n o m yp r o f i tt os t u d yt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fb o i l e rs y s t e m A i m e da tt h i sp r o b l e m，t h eP a

5、 p e re m p h a s i z eo nt h es y s t e mt om o n i t o ra n dc o n t r o li n s t a n tb o i l e rb ym e a n so fP L C R e a l i z a t i o n st ow h o l eb o i l e rs y s t e mg a t h e rm a n a g e m e n ta n ds p r e a dc o n t r o lb ym e a n so fm o d e mc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o

6、 l o g y I nt h ed e s i g no fs y s t e m，i tw a st e x t u a lt oi n t r o d u c eag e n e r a ld e s i g ns t e pa n dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s e s T h eo v e r a l ls i t u a t i o ns c r i p tp r o g r a m，c r e a t i n gt h ea l a r ma n dp r o t e c t i o ns y s t e m，d e s i g

7、n i n gc u s t o m e rm a n a g e m e n ta n dt h ei t e ms a f e t y,t h i st e x ta l lh a st h ed e t a i l e de x p a t i a t i o n A tl a s ti n t r o d u c e dt h a th o wt ou s et h eP L Cc o n t r o l l e ra n dh o wt om a d eu s eo fW e b A c c e s sp r o g r a ms o f t w a r ee d i t i n g

8、c o n t r o lp r o g r a m m i n gi nb r i e f T h ep a p e rp a s s i n gi sa n a l y t i c a lt ot h es t r u c t u r ea n dt h ew o r kc r a f to ft h eb o i l e rs y s t e mm a k es u r er e a s o n a b l ep r o je c t so ft h ec o n t r o ls y s t e m，i n c l u d ed e s i g nt h ew a t e rl e v

9、 e lc o n t r o ls y s t e ma n dt h eb u mc o n t r o ls y s t e me t c U s e dt oA d v a n t e c hC o r p o r a t i o n SA d a m 551OP L Ca st h es p o t sc o n t r o l l e r T h i sd i s s e r t a t i o na i mi sp a s s i n gt om a k eu s eo ft h i se x c e l l e n td e v e l o p m e n tt o o lo

10、far u n t i m es o f t w a r e，c a r r y i n go nt h eh a r d w a r ec h o i c ea n ds y s t e m si n s t a l lr e a s o n a b l y,c o m b i n i n gt ot h ew o r kc r a f to fb o i l e r,m a c h i n ea n dm o n i t o r i n gt or e q u e s tt oc a r r yo nt h ea p p l i e ds o f t w a r ed e v e l o

11、p m e n tw o r k，t oc o m p a r ew i t hg o o dm a n m a c h i n ei n t e r f a c e，f o r m a t i o n，d e v e l o pab o i l e rs y s t e mt om o n i t o ra n dc o n 仃o li n s t a n t C a r r yo u ti n s t a n tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gt ot h es p o tb o i l e ra n dr e c o r dc o

12、 r r e s p o n do fd a t ap a s s i n gn e t w o r k 1(E YW o I m S：B o i l e rS y s t e m；D C S；A d a m 5 510；F u s s yN e u r a lN e t w o r kI I I基于A D A M 5 5 1 0 的小型燃气锅炉控制系统设计原创性声明及关于学位论文使用授权的声明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的

13、个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：关于学位论文使用授权的声明本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到(中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：蕴迢坠师签名：型芝生兰日期：2 Q Q 盘生互旦基于A

14、D A M 5 5 1 0 的小型燃气锅炉控制系统设计1 概述2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初，随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。当前用于工业控制的计算机可分为几类，如基于P C 总线的工业控制计算机、基于单片机的测控装置、用于模拟量闭环控制的可编程调节器、集散控制系统(D C S)和现场总线控制系统(F C S)、可编程控制器(P L C)等。可编程控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，它已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。在计算机诞生以前，生产过程控制常用的是继电器控制系统和电子器件控制系统。在这种系统中，

15、要完成一个控制任务，支配控制系统工作的“程序”是由各分立元件用导线连接起来加以实现的，所以又成为接线程序控制系统。典型继电器控制系统，其输入输出都是通过接线程序来实现的。输入设备(按钮、行程开关、限位开关、传感器等)用于向系统送入控制信号，输出设备(接触器、电磁阀等)用于控制各种被控对象(电动机、电炉、电磁阀等)。程序的变动必须通过改变接线来实现，缺点非常明显：监控分散，不易集成；系统庞大，二次开发难；故障源多，维护费用高。1 9 8 1 年，m M 推出I B MP C 机，获得了成功。它充分利用8 0 8 8 的性能，组合其他可编程接口芯片，采用开放式的接插件兼容技术，使系统扩充部件可以直

16、接插入机槽内而目的修改原有电路。且具有对已制定的工业标准的适应能力和对市场上已有产品的兼容性。其P C 系统支持的串行通信卡符合R S 2 3 2 工业标准，同时，I B M还公布了P C 机的几乎全部技术资料。在此背景下，P C 机进入了控制领域。计算机系统应用于控制领域，其强大的计算能力，可贵的记忆和逻辑判断能力，丰富多彩的外围设备和人机对话能力就展示出强大的威力。它不仅能实现高极复杂的控制算法，获得快速精密的控制效果，还能把生产控制和生产管理有机的结合起来，从而实现对整个企业、工厂和车间的自动化控制和管理。在过程控制应用中，由单台工业控制计算机组成的系统如(D D C)功能毕竟有限，借助

17、于通信技术，可将地理位置分散的多台控制机连接成网络，组成集散系统(D C S)，使系统在按资源分散而实行分散控制的同时，实现了系统内集中监视、信息统一管理、系统采集和其他一些功能管理，从和实现工厂级的基本管理控制目标。而它并不是一种真正的综合管理系统即计算机集成制造系统(C o m p u t e rI n t e g r a t e dM a n u f a c t u r i n gS y s t e m，简称C I M S)C I M S 将过程控制、质量控制、安全监督、人事管理、经营决策联合起来，以C A D C A M 和系统工程学为基础，应用现代计算机、控制、仪表、通信网络，分布式

18、数据库、机器人等先进技术为手段，实现过程控制陕两科技大学硕士学位论文和管理得连续化，实时化和同步化，使统计分析报表变成联机实时仿真或处理的目的。目前，我国锅炉控制技术良莠不齐【l】。相当多的锅炉仍旧在采用继电器控制，主要依靠操作员手工来完成，这样就要求锅炉操作员时刻都要在现场监控锅炉运行情况，并且要对整个锅炉系统的运行过程以及过程中各个环节的相互影响都有相当深刻的了解，能够根据现场实际情况及时调整各个相关参数以达到工艺要求。其过程可见有多复杂，而且还凸显了很多弊端：现场操作容易导致安全事故，而且参数控制不够准确及时从而导致能源和资源的浪费严重，另外运行维护成本也高，劳动效率低下。为了响应党和国

19、家的号召加快建设节约型社会，研究锅炉生产过程监控技术具有非常广阔的实用意义和经济价值。本课题项目通过使用P L C 来对整个锅炉作业过程进行实时控制，配置计算机控制与管理系统，结合现代工业组态软件进行控制界面的组态与设计。通过计算机控制管理系统进行作业流程操作。全部由计算机实现自动控制，系统的操作只需操作员在控制室就可以完成，而且除了工程师外，操作员也可以很容易操作整个系统的运行，这样就节省了大量的人力资源。整个锅炉系统的操作界面设计成易于操作的w i n d o w s 人机交互界面、主要功能通过计算机后台自动完成，系统实现现场控制和远程监控、声光报警，报表打印等功能，此外，考虑到系统的可移

20、植性，系统设计成能够根据不同被控锅炉的具体控制指标的要求灵活的调整控制参数，克服了需要重新进行设计、硬性修改等缺点，缩短了锅炉控制系统开发的周期，可以大范围推广，具有较强的现实意义。传统的锅炉控制主要是采用继电器控制，即人工现场手动操作。继电器控制系统通常可以看成是由输入电路、控制电路、输出电路和生产现场这四部分组成。其中输入电路部分是由按钮、行程开关、限位开关、传感器等构成，用以向系统送入控制信号和执行相应的操作。锅炉微计算机控制是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉3 0 多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1 3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗

21、高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、微机、手自动切换操作、执行机构及阀、滑差电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机，手自动切换操作部分，手动时由操作人员手动控制，用操作器控制滑差电机及阀等，自动时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测

22、、报警、控制以保证锅炉正常、可就地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设2基于A D A M 5 51 0 的小型燃气锅炉控制系统设计计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的，以免锅炉发生重大事故。微机控制系统由机箱、通道箱、C R T 显示器、打印机、键盘、报警装置、低通滤波器及I N 转换板等组成，能完成对给水、给煤、鼓风、引风等进行自动控制，使锅炉的汽包水位、蒸汽压力保持在规定的数值上，以保证锅炉的安全运行，平稳操作，达到降低煤耗、提高供汽质量的目的，同时对运行参数如压力、温度等有流程动态模

23、拟图、光柱模拟图等多幅画面并配有数字说明，还可对汽包水位、压力、炉温等进行越限报警，发出声光信号，还可定时打印出十几种运行参数的数据。以形成生产日志和班、日产耗统计报表，有定时打印、随机打印等几种方式。锅炉控制系统的硬件配置，目前有几种，功能较好首推可编程序控制器P L C，适合于多台大型锅炉控制，由于P L C 具有输入输出光电隔离、停电保护、自诊断等功能，所以抗干扰能力强，能置于环境恶劣的工业现场中，故障率低，如北京丽都饭店使用的P L C 控制系统，运行几年来从未发生任何故障。P L C 编程简单，易于通信和联网，多台P L C 进行同位链接及计算机进行上位链接，实现一台计算机和若干台P

24、 L C 构成分布式控制网络，但是，价格较高，如果是控制单台，资源不能充分利用，多台锅炉控制能提高性能价格比，如果从长远观点看，其寿命长，故障率低，易于维修，值得选用。第二种是1 6 位S T D 总线工业控制机为主机构成的系统，由于其性能价格比较高，所以国内用的较多，微机内部一般采用总线式模块结构，组态灵活，维修方便，S T D 总线结构很适于工业环境，按测量参数的多少和控制回路的数目选配相应的模板，在操作上，考虑到现场人员的技术水平，对开机操作，控制目标，控制参数的修改，手自动切换等设置了最简便的操作，国内有许多家搞这方面的研制，就其产品而言，使用较好的是大连D M C 5 0 0 T 系

25、列产品，适用于1 0 吨以上锅炉使用，价格适中。第三种是智能仪表控制，以单(双)回路可编程控制器为主，以P C 机为上位机，彼此间采用R S 2 3 2 相连，它可以接受多路模拟量及开关量输入，实现复杂的运算、控制、通信及故障诊断功能，出于危险分散的考虑，它虽有若干路模拟量及开关量输入，但只有一、二路采用4 一-,2 0 m A 直接信号输出，即原则上只控制一、二个执行器，它与模拟仪表一样，可与常规仪表混合合作，它作为集散控制系数的一部分，是现代自动控制、计算机及通信技术最新发展产物。该仪表编程方式采用模块化，容易掌握。山东酒精总厂就是用该仪表构成锅炉微机控制系统，运行良好。锅炉控制系统，一般

26、有燃烧、水位等控制系统。燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，量出而入不断根据用汽量与压力的变化成比例地调整燃料量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用，其中保持合适的“空燃比”是一个重要因素。“空燃比”是指燃烧中空气量与燃烧量的比值系数。3陕西科技大学硕士学位论文汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据

27、情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双重量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。炉膛负压控制系统是使进出炉膛的空气量维持平衡的控制系统，一般以炉膛压力作为空气量平衡与否的控制指标，通过调整排向大气的引风量达到空气量进出平衡，为提高控制品质，一般以送风量或送风档板开度作为前馈量构成前馈一反馈控制系统。微机锅炉控制技术具有良好实用前景，既可节能又可提高锅炉的运行管理水平，减轻环境污染，所以推广应用该技术就显得十分繁重。本文将从以下几个方面进行论述：控制系统的选择；燃气锅炉的控制特点；针对燃气锅炉的特点提出控制方法；对控制系统进行设计。4基于A D A M 5 5 1 0 的小型燃气锅炉控制系统设计2

28、控制方案2 1 控制理论的历史回顾自从1 9 3 2 年奈魁斯特(H N y q u i s t)发表有关反馈放大器稳定性论文以来，控制理论学科的发展己走过7 0 多年的历程。在这段时间内，他经历了经典控制理论到现代控制理论，又由现代控制理论发展到现在的智能控制阶段。经典控制理论主要研究的对象是单变量常系数线性系统，他只适用于单输入单输出控制系统，系统的数学模型采用传递函数表示。系统的分析和综合方法主要是基于根轨迹和频率法。经典控制理论的主要贡献在于P I D 调节器广泛成功地应用于常系数单输入单输出线性控制系统中。随着经典控制理论的成熟和计算机技术的发展以及所需控制的系统不再是简单的单输入单

29、输出线性系统，促使控制理论由经典控制理论向现代控制理论过渡，现代控制理论以庞特里亚金的极大值原理、贝尔曼(B e l l m a n)的动态规划、卡尔曼(K a l m a n)的线性滤波和估计理论为基石，形成了以最优控制、系统辩论和最优估计、自适应控制为代表的现代控制理论分析和设计方法。系统分析的对象已转向多输入多输出线性系统，系统分析的数学模型主要是状态空间描述法。随着控制过程和系统越来越复杂，尤其对不确定性的模型、时变、高度非线性的控制对象，采用传统的数学工具或计算机传真技术的传统控制理论已无法解决系统的控制问题：另方面也由于现代计算机技术、人工智能和微电子学等学科的高速发展，使控制的技

30、术工具发生了革命性的变化，促使一个智能化的工具时代的到来，新型控制策略目前已渗透到自动控制领域的各方面，并展现了较好的应用前景。2 2 智能控制理论智能控制是一门新兴的学科【2 1，他的发展得益于许多学科，其中包括人工智能、认识学科、现代自适应控制、最优控制、神经元网络、模糊逻辑、学习理论、生物控制和激励学习等，以上每一个学科均以不同侧面部分地反映了智能控制的理论和方法。同时智能控制又是一门尚不成熟的学科。1 9 7 1 年著名学者K S F u(傅京逊)从发展学习控制的角度首次提出智能控制这一概念。他归纳了3 种类型的智能控制系统：(1)人为控制由于人具有识别决策和控制等能力，因此对于不同的

31、控制任务、不同的对象及环境情况，人作为控制器的控制系统具有自学习、自适应和自组织的能力，能自动采取不同的控制策略以适应不同的情况。5陕西科技大学硕士学位论文(2)人机结合作为控制器的控制系统在这样的系统中，机械完成那些连续进行的并需快速计算的常规控制任务，人则完成任务分配、决策、监控等任务。(3)无人参与的自主控制系统最典型的例子是自主机械人，这时的自主式控制器需要完成问题求解和规划、环境建模、传感信息分析和低层的反馈控制等任务【3】。是一个多层的智能控制系统。S a r i d i s 在1 9 7 7 年出版了随机系统的自组织控制一书，其后又发表一篇综述文章“走向智能控制的实现”。在这两篇

32、著作中，他从控制理论发展的观点，论述了从通常的反馈控制到最优控制、随机控制，再到自适应控制、自学习控制、自组织控制，并最终向智能控制这个最高阶段发展的过程。他首次提出了分层递阶的智能控制结构。整个结构由上而下分为3 个层次：组织级、协调级和执行级。他在最新的工作中采用神经元网络中B o l t z m a n 机来实现组织级的功能，利用P e t r i 网作为工具来实现协调级的功能。在智能控制的发展中，另一位学者K J A s t r o m 也作出了重要贡献。他在“专家控制”的著名文章中，将人工智能中的专家系统技术引入控制系统，组成了另一种类型的智能控制系统，借助于专家系统技术，将常规的P

33、 I D 控制、最小方差控锘I J、自适应控制等不同方法有机地结合在一起，能根据不同情况分别采取不同的控制策略，同时还可以结合逻辑控制的功能，如起停控制自动切换越限报警以及故障诊断，这种专家控制的方法已有许多成功应用的实例。近年来，模糊控制作为一种新颖的智能控制方式，越来越受到人们的重视，传统的控制是从被控对象的数学结构上去考虑进行控制的，而模糊控制则是以人类智能活动的角度和基础上去考虑实施控制的。1 9 6 5 年美国加州大学自动控制系统专家扎德(L A Z a d e h)在信息与控制杂志上先后发表了“模糊集”(F u s s ys e t s)和“模糊集与系统”(F u s s ys e

34、 ts&s y s t e m)，产生了模糊集理论，奠定了模糊集理论和应用研究的基础。1 9 6 8 年扎德首次公开发表其“模糊算法”。1 9 7 3年发表了语言与模糊逻辑相结合的系统建立方法。1 9 7 4 年伦敦大学M a m d a n i 博士首次尝试利用模糊逻辑，成功地开发了世界上第一台模糊控制的蒸汽引擎。从1 9 6 5 年1 9 7 4 年是模糊控制发展的第一阶段，即模糊数学发展和成形阶段；1 9 7 4 年1 9 7 9 年为第二阶段，这是产生简单控制器的阶段；1 9 7 9 年至今是发展高性能模糊控制的第三阶段。1 9 7 9 年J J P r o e k y 和E H M

35、a m d a n i 共同提出自学习概念，使系统性能大为改善。1 9 8 3 年日本富士电机开创模糊控制在日本的第一项应用水净化处理。之后富士电机致力于模糊逻辑元件的开发和研究，并在1 9 8 7 年仙台地铁线采用了模糊逻辑控制技术。1 9 8 9 年又把模糊控制消费品推向高潮，从而使得日本逐渐成为这种技术的主导国家。今天模糊逻辑控制技术已经应用到相当广泛的领域之中。神经网络控制又是智能控制的一个重要内容。自从1 9 4 3 年M c C u l l o e h 和P i t t s 提出形式神经元的数学逻辑以来，神经网络的研究开始了他的艰难历程，2 0 世纪5 0 年代8 0 年代是神经网

36、络研究的萧条期，但仍有不少学者致力于神经网络模型的研究。如6基于A D A M 5 5 1 0 的小型燃气锅炉控制系统设计A l b u s 在1 9 7 5 年提出的C M A C 神经网络模型利用人脑记忆模型提出了一种分布式的联想查表系统，G r o s s b e r g 在1 9 7 6 年提出的自共振理论解决了无导师指导下的模式分类。到8 0 年代，人工神经网络进入了发展期。1 9 8 2 年，H o p f i e l d 提出了H N N 模型，解决了回归网络的学习问题，1 9 8 6 年P D P 小组的研究人员提出的多层前向传播神经网络的B P 学习算法实现了有导师指导下的网

37、络学习，从而为神经网络的应用开辟了广阔的前景。继K i l m e r 和M c C l a t c h y 提出K _ B M 模型实现对“阿波罗”登月车的控制之后，人工神经网络再次被引入控制领域，并迅速得到了应用，从而开辟了神经网络控制。在机械人方面的许多研究成果显示了他广泛的应用前景。1 9 8 5 年8 月，I E E E 在美国纽约召开了第一届智能控制学术讨论会。1 9 8 7 年1 月在美国费城由I E E E 控制系统学会与计算机学会联合召开了第一届智能控制国际会议，这标志着智能控制作为一门新学科正式建立起来。2 0 世纪9 0 年代以后，关于智能控制的研究论文、著作、会议、期刊

38、大量涌现，应用对象也更加广泛，从工业过程控制、机器人控制、航天航空器控制到故障诊断、管理决策等均有涉及，并取得了较好的效果。进入2 1 世纪，智能控制进入新的历史阶段，控制学科所面临的控制对象的复杂性、控制环节的复杂性和控制目标的复杂性日益突出，智能控制的研究成为解决这类问题的有效手段。但智能控制作为一门新兴的理论技术，现在还处于发展初期。但随着系统理论、人工智能和计算机技术的发展，智能控制必将出现更大的发展，并在实际中获得广泛的应用。智能控制是人工智能和自动控制结合的结果1 4 1。他既是当今国内外自动化学科中一个十分活跃和具有挑战性的领域，又是一门新型的交叉学科。智能控制与人工智能、自动控

39、制、运筹学、计算机科学、模糊数学、神经网络理论、进化论、模式识别、信息论、仿生学和认识心理学等有着密切的联系，是相关学科相互结合与渗透的产物，具有广阔的应用前景。结合多种学科的知识来解决复杂系统的控制问题引出了许多新理论和新方法。(1)专家系统和专家智能控制人工智能领域应用最多的是专家系统，A B a r r 曾精确地指出：“专家系统的性能水平主要是他拥有的知识数量和质量的函数。”从专门知识的特点出发，专家系统的基本特征有：启发性(H e u r i s t i c)：不仅能使用逻辑知识，也能使用启发性知识。透明性(T r a n s p a r e n c y)：能向用户解释他们的推理过程，

40、还能回答用户的一些关于他自身的问题。灵活性(F l e x i b i l i t y)：系统中的知识应便于修改和补充。从本质上来看，专家系统是由许多收集的规则组成，他清楚地表示了知识和结果。规则的最简单的形式是m T H E N 结构。般专家控制系统由3 部分组成。其一是控制机制，他决定控制过程的决策；其二是推理机制，他实现知识之间的逻辑推理以及与知识库的匹配。其三是知识库，包括事实、判断、规则、经验以及数学模型。然而专家系统的发展遇到了知识获取的“瓶颈”、“窄台阶”等困难，使其支持能力受到极大的限制而受到严重的挑战。因此，单一依靠专家系统的控制已无法满足实时性、灵活性、自适应性等要求，7陕

41、西科技大学硕士学位论文专家系统的混合控制技术正引起各国专家的关注，如神经网络专家系统、专家模糊控制等。(2)模糊控制模糊控制的基本思想是用机器去模拟人对系统的控制，而不是依赖控制对象的模型。因此，模糊控制主要研究那些在现实生活中广泛存在的、定性的、模糊的、非精确的信息系统的控制问题。用模糊控制器实现人的某些智能。他也是智能控制的重要分支。模糊控制有3 个基本组成部分：模糊化、模糊决策、精确化计算。模糊控制的工作过程简单地可描述为：首先将信息模糊化，然后经模糊推理规则得到模糊控制输出，再将模糊指令进行精确化计算最终输出控制值。模糊系统可以看作是一种不依赖于模型的估计器，给定一个输入，便可以得到一

42、个合适的输出，他主要依赖模糊规则和模糊变量的隶属度函数，而无需知道输入与输出之间的数学依赖关系。因此他是解决不确定性系统控制的一种有效途径。但是他对信息进行简单的模糊处理会导致被控制系统的精度的降低和动态品质变差。为了提高系统的精度则必然增加量化等级，从而导致规则的迅速增多，因此影响规则库的最佳生成，且增加系统的复杂性和推理时间。所以混合模型控制的思想已引起大家的重视。例如模糊P I D 调节器、模糊专家系统、自适应自学习模糊控制、模糊神经网络控制等。综上分析，模糊控制既具有广泛的应用前景，又具有许多待开发和研究的理论问题。基于模糊控制和传统的P I D 控制原理得出F u z z y 和P

43、I D 控制相结合的一种复合控制的有效结构，利用M a t l a b 中的F u z z yt o o lB o x 与S i m u l i n k 结合起来，实现了对几种典型对象的控制仿真，并设计出F u z z y P I 调节器作为串级调速系统中的速度和电流调节器，并在实验和实际中得到了应用。(3)神经元网络控制神经元网络通过神经元以及相互连接的权值，初步实现了生物神经系统的部分功能。神经网络具有的非线性映射能力，并行计算能力、自学习能力以及强鲁棒性等优点已广泛地应用于控制领域，尤其是非线性系统领域。按神经网络在系统中的作用划分有2 种功能模式：神经网络建模和神经网络控制。神经网络具

44、有可以逼近非线性函数的能力，可以用来建立非线性系统的动态模型。神经网络建模主要是利用对象的输入输出数据，经过误差校正反馈，修正网络权值，最终得到一个具有输入输出对应关系的函数模型。虽然神经网络对非线性系统的建模起到重要的作用，但是还存在很多需要进一步研究的问题。如对不同的非线性对象神经网络模型的选取及其结构的确定问题，被辨识系统的充分激励问题，带噪声系统的辨识问题。辨识算法的快速性和收敛性问题等。神经网络在控制系统中所起的作用可大致分为4 类：第一类是基于模型的各种控制结构中充当对象的模型；第二类是充当控制器；第三类是在控制系统中起优化计算的作用：第四类是与其他智能控制如专家控制、模糊控制相结

45、合，为其提供非参数化对象模型、推理模型等。神经网络控制系统用于控制非线性对象时，神经网络的自学习、自适应性使其与线性系统的自适应控制系统有许多相同之处，有一些8基于A D A M 5 51 0 的小型燃气锅炉控制系统设计结论可以平移。但是由于从线性系统到非线性系统有着本质的差异，要解决非线性系统的自适应控制问题，如稳定性问题、结构问题、鲁棒性问题等都要比线性系统难得多，因此，在神经网络的控制中存在的潜在研究问题也相当多，其理论研究还不成熟。无疑神经网络控制是一个挑战性很强的领域。由于他可能是处理非线性不确定系统的有效途径，因此，近年来受到国内外学者的高度重视。(4)学习控制学习控制是智能控制的

46、一部分【5 1。学习是人类的主要智能之一。学习控制正是模拟人类自身各种优良控制的调节机制的一种尝试。T s y p k i n 曾对学习下过一个定义，即作为一种过程。他通过重复输入各种信号，并从外部校正该系统，从而使系统对特定输入具有特定响应。学习控制系统是一个能在其运行过程中逐步获得被控过程及环境的非预知信息，积累控制经验，并在一定评价标准下进行估值、分类、决策和不断改善系统品质的自动控制系统。学习控制根据系统工作对象的不同可分为2 类：一类是对具有可重复性的被控对象利用控制系统的先前经验，寻求一个理想的控制输入。而这个寻求的过程就是对被控制对象反复训练的过程。这种学习控制又被称为迭代学习控

47、制。另一类是自学习控制系统，他不要求被控过程必须是重复性的。他能通过在线实时学习，自动获取知识，并将所学的知识用于不断地改善具有未知特征过程的控制性能。尽管学习控制已研制多年，但与实际要求还相距较远。他的主要缺点是在线学习能力差，学习速度较慢，跟不上实时要求。学习控制系统通常是通过对系统性能的评价和优化来调整系统的结构和参数的，因此一个好的优化理论和算法是智能控制系统设计的精髓。遗传学习是最近发展起来的一种全局优化算法，他在实时性要求不高的复杂控制系统的优化中是很有潜力的。遗传学习理论属于随机优化理论，其算法称遗传算法(G A 算法)。这是一种全局寻优算法，他模仿生物进化的过程来逐步获得最好的

48、结果。这种优化算法可以在智能控制中发挥重要的作用，是智能控制的一个重要组成部分。(5)定性控制理论定性推理是一种基于模型的推理，其基本思想是：为了搞清楚定性推理的对象的现实世界的物理系统的行为往往不需要使用严格的定量方法。定性理论不是通过收集系统变量在不同的时间点上的取值来模拟系统行为，而是在更高的抽象层次上关心系统行为的定性特征。将定性推理应用到控制领域，便形成了智能控制的一个新的分支，即定性控制。定性控制器根据系统的不完全知识，对系统的输出行为作出预测和控制，这是常规控制器无法完成的。定性控与模糊控制的主要区别是：模糊控制基于“b l a c kb o x”系统，不需要建立数学模型，而定性

49、控制基于定性模型模糊控制是基于状态的精确测量值，而定性控制基于状态的定性测量值。智能控制是一门新兴学科，他研究的领域相当广泛，且存在的问题也相当多，智能控制的基础理论体系还处于比较模糊的阶段，没有形成一个统一的完整的理论体系。智能控制理论要发展到如经典控制理论，现代控制理论那么完整，还需要长期的9陕西科技大学硕士学位论文艰苦工作，但他作为控制理论发展的第三阶段有着广泛的发展前途。面对复杂的、时变的、不确定的、强非线性的被控对象，智能控制也必须朝着综合化、集成化方向发展。而随着网络和信息技术的发展，基于网络环境下的智能控制，特别是基于I n t e m e t环境的智能控制技术有着更好的发展前景

50、。2 3 控制装置的发展过程控制作为自动化技术的应用，在工业上的应从2 0 世纪2 0 年代算起。控制系统可分为开环、半闭环和闭环三种基本的控制方案。开环控制系统无反馈装置。此类系统最大的特点是控制方便、结构简单、价格便宜。控制系统发出的指令信号流是单向的，所以不存在稳定性问题。但由于误差不经过反馈校正，精度一般不高；半闭环控制系统：采用反馈检测装置，由于具有反馈比较控制，可获得较高的精度，大部分环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性，部分误差不能通过反馈校正，但可采用软件定值补偿的方法来适当提高其精度；全闭环控制系统：采用检测元件对被控制单元进行检测，可以消除闭环内误差，得封