AI系列儀表的人工智能控制算法及其應(yīng)用

張華林 武漢理工大學(xué)

近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)發(fā)展速度較快，為了提高經(jīng)濟(jì)效益，一些工業(yè)產(chǎn)業(yè)擴(kuò)大了生產(chǎn)規(guī)模，加大了控制難度，大部分控制過(guò)程機(jī)理比較復(fù)雜，并且滯后嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不容易掌控。通常情況下，采用PID控制算法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，基于此模型設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。然而在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)容易受到環(huán)境因素影響，導(dǎo)致控制效果不佳。為此，本文提出算法改進(jìn)與應(yīng)用研究。

1.AI系列儀表的人工智能控制算法

AI系列的人工智能控制算法屬于融合算法，是在PID算法基礎(chǔ)上，融合了模糊控制算法。在實(shí)際應(yīng)用中，如果控制誤差較大，則調(diào)節(jié)模糊控制算法中的參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)控制方案，以此縮小誤差，使得PID飽和積分得以消除；如果控制誤差較小，則改進(jìn)后的算法的控制效果將有所提升。該算法通過(guò)控制對(duì)象描述方法，確定兩種算法的控制參數(shù)，以此提高控制精度。針對(duì)非線性結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)據(jù)，采用重置參數(shù)方法，依據(jù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)則，在表內(nèi)重置參數(shù)，以此提高系統(tǒng)響應(yīng)速度?？紤]到重置后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能變得更加復(fù)雜，本文采用專家自整定系統(tǒng)加以優(yōu)化，從而達(dá)到提高控制系統(tǒng)運(yùn)行效率及準(zhǔn)確性的目的。

2.算法改進(jìn)

2.1 PID 算法

當(dāng)前應(yīng)用比較多的控制算法為PID算法，即：

輸出=比例作用（P）+積分作用（I）+微分作用（D）

該算法在使用過(guò)程中，無(wú)法同時(shí)滿足控制精度和減少超調(diào)兩項(xiàng)要求，產(chǎn)生此問(wèn)題的主要原因?yàn)樗惴ńY(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，積分作用存在較大缺陷。如果減少積分的使用，將容易產(chǎn)生靜差，受到擾動(dòng)影響，誤差消除速度就會(huì)放緩。如果增加積分的使用，就會(huì)引發(fā)超調(diào)，這是PID控制算法的主要問(wèn)題。

2.2 PID算法改進(jìn)方案

在AI系統(tǒng)儀表運(yùn)行過(guò)程中，容易受到外界因素的影響，導(dǎo)致被控對(duì)象操控誤差較大。針對(duì)此問(wèn)題，本文采用模糊控制算法，與PID算法融合到一起，形成新的人工智能控制算法，簡(jiǎn)稱MPT控制算法，該算法不存在積分問(wèn)題和抗飽和問(wèn)題。以下為MPI控制算法定義：

（1）保持參數(shù)，設(shè)定為M50。以輸出值的50%定義M50，主要用于控制穩(wěn)定后的對(duì)象測(cè)量差值。系統(tǒng)積分作用隨著M值的增加而加強(qiáng)，與此同時(shí)，積分時(shí)間也將隨之延長(zhǎng)。如果M值逐漸減小，則系統(tǒng)作用將隨之減弱，直至M值減小至0，系統(tǒng)積分作用才會(huì)消失。

（2）速率參數(shù)，用P表示。當(dāng)儀表輸出測(cè)量值減小時(shí)，P值將隨之減小，具體定義如下：

通常情況下，使用自整定方法來(lái)計(jì)算，最終確定P值，該數(shù)值與微分作用、比例存在正比關(guān)系，與積分作用無(wú)關(guān)。

（3）時(shí)間參數(shù)，用T表示。主要用于定義按照某一設(shè)定的升溫速率，升高到指定溫度所用的時(shí)間。

在實(shí)際使用過(guò)程中，除了考慮振蕩問(wèn)題和超調(diào)問(wèn)題，還要考慮控制響應(yīng)速率。

通過(guò)調(diào)節(jié)T值，可以有效控制微分作用和比例大小。在T值逐漸增加的過(guò)程中，微分作用逐漸增強(qiáng)，而比例作用逐漸減弱；在T值逐漸減弱的過(guò)程中，微分作用逐漸減弱，而比例作用逐漸增強(qiáng)。

3.改進(jìn)算法的應(yīng)用分析

3.1 基于MPT的人工智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用MPT控制算法開(kāi)發(fā)一套基于MPT的人工智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分析兩個(gè)功能模塊，其中一項(xiàng)功能模塊為自適應(yīng)功能，另外一項(xiàng)功能模塊為專家自整定功能。

（1）自適應(yīng)功能模塊

利用模糊控制技術(shù)，按照模糊邏輯推理思維，編寫(xiě)算法思想，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)字控制。

通常情況下，AI系列儀表運(yùn)行過(guò)程中遇到非線性控制對(duì)象，控制精度和運(yùn)行效率都會(huì)受到影響。針對(duì)此問(wèn)題，本文利用模糊控制算法修改輸出值，以此縮小控制誤差。在此過(guò)程中，保留MPT控制參數(shù)不變，消除干擾因素，使得輸出值在誤差范圍內(nèi)，達(dá)到提高控制精度的目的。另外，模糊控制技術(shù)開(kāi)發(fā)出的算法結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可以在一定程度上提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

（2）專家自整定功能模塊

在AI系列儀表中，引入自整定專家算法程序控制各項(xiàng)參數(shù)，從而為操作人員提供便利工具。自整定的設(shè)計(jì)，是采用位式控制來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。如果系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生震蕩，則需要根據(jù)時(shí)間參進(jìn)行調(diào)整，保證系統(tǒng)運(yùn)行速度不受到較大影響的前提下，重置參數(shù)，來(lái)控制震蕩幅度，依據(jù)輸出值確定參數(shù)M。如果在運(yùn)行過(guò)程中遇到滯后嚴(yán)重或者速率較小，可以通過(guò)調(diào)節(jié)周期值，達(dá)到控制速率的目的。

這種設(shè)計(jì)方案，不進(jìn)可以為操作人員提供便利條件，而且還可以提高系統(tǒng)控制質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)智能化操控。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用分析

相比同種類型儀表，AI儀表性價(jià)比比較高，是否能夠發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值，取決于控制算法。本文將設(shè)計(jì)的MPT算法應(yīng)用到溫度控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中展開(kāi)應(yīng)用分析。

在溫度控制系統(tǒng)中，AI儀表由4個(gè)相互獨(dú)立的PID調(diào)節(jié)電路構(gòu)成，支持同時(shí)下發(fā)控制命令。下達(dá)控制命令以后，系統(tǒng)將自動(dòng)采集溫度信息，如果測(cè)量溫度不在設(shè)定范圍內(nèi)，依據(jù)溫度差值，驅(qū)動(dòng)溫度控制裝置，從而達(dá)到溫控目的。應(yīng)用結(jié)果表明，本文開(kāi)發(fā)的溫度控制系統(tǒng)誤差為 ℃，在誤差允許范圍之內(nèi)，滿足系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需求。

總結(jié)：本文主要對(duì)傳統(tǒng)的PID 算法進(jìn)行研究分析，針對(duì)控制精度低、運(yùn)行速率較慢問(wèn)題，采用模糊控制算法，與PID算法融為一體，形成MPT控制算法。利用此算法開(kāi)發(fā)一套基于MPT的人工智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由自適應(yīng)功能模塊、專家自整定功能模塊構(gòu)成。應(yīng)用結(jié)果表明，溫度控制系統(tǒng)誤差為 ℃，滿足系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需求。