智能控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用研究

楊 楠

（佳木斯大學(xué) 信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154000）

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)不斷發(fā)展，對(duì)過(guò)程控制提出了新的要求。智能控制技術(shù)的發(fā)展，為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的完善提供了條件。智能控制系統(tǒng)具有足夠的“智能”，其核心在于高層控制，即對(duì)廣義問(wèn)題的求解。智能控制具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，系統(tǒng)具有變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能總體自尋優(yōu)，有自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)和自協(xié)調(diào)能力［1］。如果工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中控制系統(tǒng)出現(xiàn)擬合失真現(xiàn)象，可以通過(guò)智能算法進(jìn)行補(bǔ)償。這些特性能夠輔助機(jī)器在無(wú)人干預(yù)的情況下自主完成生產(chǎn)作業(yè)。目前，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家正在全力進(jìn)行工廠綜合自動(dòng)化研究，期望形成一個(gè)能夠適應(yīng)各種生產(chǎn)環(huán)境和市場(chǎng)需求，具有多變性，總體最優(yōu)的高質(zhì)量、高收益、高柔性的控制系統(tǒng)。

1 智能控制系統(tǒng)概述

智能控制是一種包含智能信息處理、智能信息反饋和智能控制決策的控制方式，由執(zhí)行器、傳感器、感知信息處理接口、規(guī)劃與控制接口、認(rèn)知與通信接口五個(gè)部分組成。其中，規(guī)劃與控制接口是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心［2］，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的要求進(jìn)行工藝分析，根據(jù)給定的反饋信息以及經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行自動(dòng)搜索、推理決策、動(dòng)作規(guī)劃，最終達(dá)到對(duì)生產(chǎn)的控制。其具體過(guò)程如圖1所示。傳感器獲得被控參數(shù)或者被控參數(shù)的變化量，感知器感知信息并對(duì)信息進(jìn)行初步分析處理，通過(guò)通信接口認(rèn)知層、規(guī)劃層進(jìn)行信息交換，最后由決策層傳遞給執(zhí)行器完成控制動(dòng)作。

圖1 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的控制流程

2 智能控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的優(yōu)點(diǎn)

2.1 自動(dòng)適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境與工藝要求

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的工況常常比較復(fù)雜，影響過(guò)程的因素較多，需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠應(yīng)付各種情況，且得到較好控制效果的控制器，然而傳統(tǒng)的比例積分倒數(shù)（Proportional Integral Derivative，PID）調(diào)節(jié)器處理信號(hào)太簡(jiǎn)單、控制目標(biāo)在生產(chǎn)過(guò)程中可能由于干擾量的引入發(fā)生“跳變”，被控對(duì)象輸出的變化都有慣性，初始誤差很大，易引起超調(diào)，很不合理。誤差積分反饋的引入有很多負(fù)作用，如使閉環(huán)變得遲鈍，容易使控制信號(hào)波動(dòng)加大，造成系統(tǒng)振蕩，引起調(diào)節(jié)器飽和［3］。

大量工程實(shí)踐表明，非線性組合更符合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際條件。智能控制系統(tǒng)是現(xiàn)實(shí)復(fù)雜控制環(huán)境的一種近似方法，基于對(duì)設(shè)立的規(guī)則庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行模糊化，由推理機(jī)制再進(jìn)行解模糊到精確化的處理。此時(shí)的系統(tǒng)耦合條件以規(guī)則庫(kù)的形式運(yùn)用到生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)生產(chǎn)工藝的要求從對(duì)控制器的硬件要求轉(zhuǎn)移到對(duì)算法的要求。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，運(yùn)用智能控制技術(shù)可以規(guī)避因系統(tǒng)算力不足而造成的生產(chǎn)損失，同時(shí)顯著提高系統(tǒng)參數(shù)的精確度以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 提高自動(dòng)化程度與作業(yè)效率

實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程智能化的核心是構(gòu)建優(yōu)質(zhì)的智能控制系統(tǒng)，將實(shí)際生產(chǎn)情況擴(kuò)增到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)字化處理。目前，工業(yè)生產(chǎn)中主要生產(chǎn)設(shè)施大多為分布式結(jié)構(gòu)［4］，系統(tǒng)各部分具有協(xié)調(diào)、重組及擴(kuò)充特性，可自行組成最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。智能控制技術(shù)的引入可以通過(guò)傳感器感知信息，智能算法可以分析異常信息或進(jìn)行異常處理，針對(duì)整個(gè)工藝控制過(guò)程中的故障診斷、規(guī)劃決策作出反饋，保證整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同性、一致性。

生產(chǎn)過(guò)程中少不了人員的參與，智能控制系統(tǒng)針對(duì)相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備建立了生產(chǎn)過(guò)程模型，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的各種情況，進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)［5］，采用相應(yīng)對(duì)策。智能控制技術(shù)的引入是衡量制造業(yè)智能化程度的重要一維［6］。工業(yè)生產(chǎn)智能化的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)就是沒(méi)有人工干預(yù)的情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。智能控制系統(tǒng)具備了自我學(xué)習(xí)、自行維護(hù)能力，在該系統(tǒng)中，操作人員不需要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)看護(hù)，可以有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度和人工負(fù)荷，節(jié)約人力成本。另外，智能控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用可以切實(shí)保障系統(tǒng)的完整性與統(tǒng)一性，它的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，基于同一套規(guī)則庫(kù)所進(jìn)行的生產(chǎn)活動(dòng)不易受到外界負(fù)面因素的干擾，有利于保障產(chǎn)品生產(chǎn)效果以及質(zhì)量。

2.3 保障系統(tǒng)安全，降低故障率

由于過(guò)程控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，且需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)與工作，所以在其運(yùn)轉(zhuǎn)中很難避免各種問(wèn)題和故障。在面對(duì)突發(fā)故障時(shí)，常常需要維修人員現(xiàn)場(chǎng)勘察診斷，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而運(yùn)用智能控制技術(shù)建立專家控制系統(tǒng)［7］，能夠把可能發(fā)生的故障情況生成規(guī)則庫(kù)，融入到計(jì)算機(jī)控制中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障部位，迅速找出故障原因并分析，為企業(yè)快速恢復(fù)生產(chǎn)節(jié)省時(shí)間。

3 智能控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

隨著近年來(lái)人工智能和大數(shù)據(jù)等各種概念的提出，智能控制技術(shù)發(fā)展到新的階段，未來(lái)20 年，工業(yè)智能化的進(jìn)程將會(huì)進(jìn)一步加快，智能控制技術(shù)與先進(jìn)制造業(yè)的技術(shù)融合成為大勢(shì)所趨，工業(yè)智能化通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理化和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)高級(jí)化的中介機(jī)制促進(jìn)了就業(yè)增長(zhǎng)；工業(yè)智能化總體上顯著縮小了制造業(yè)人員工資差距，且縮小了中－高收入群體的工資差距［8］。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，生產(chǎn)線、車間以及工廠將成為推進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程智能化的主戰(zhàn)場(chǎng)。中國(guó)企業(yè)想要從根本上提高制造業(yè)質(zhì)量、效率和競(jìng)爭(zhēng)力，必然要向自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自控制的新型工業(yè)體系進(jìn)軍。智能控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下兩方面。

3.1 智能控制技術(shù)在質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)依賴于人員使用工具的熟練程度，而且隨著勞動(dòng)時(shí)長(zhǎng)增加，人眼對(duì)于微小目標(biāo)的分辨能力會(huì)逐漸減弱，視覺(jué)疲勞后漏檢率會(huì)提高，延緩生產(chǎn)進(jìn)度，并且人工測(cè)量誤差較大，這些都使得人工檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。智能控制技術(shù)在缺陷檢測(cè)時(shí)則克服了這些困難，工人便捷操作即可實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)；基于智能控制技術(shù)的機(jī)器視覺(jué)則可以長(zhǎng)時(shí)間地執(zhí)行測(cè)量、分析和識(shí)別任務(wù)，檢測(cè)速度快，測(cè)量誤差小；檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)一致性強(qiáng)，可數(shù)字化定量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)［8］，還可根據(jù)產(chǎn)品檢測(cè)需求調(diào)整檢測(cè)精度，提高檢測(cè)效率。同時(shí)可配合自動(dòng)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)處理，降低次品率，減少人工成本，使生產(chǎn)效率顯著提升。此外，可提供準(zhǔn)確的剔除信號(hào)，保證生產(chǎn)效率。

3.2 智能控制技術(shù)在智能識(shí)別分揀中的應(yīng)用

人工分揀速度慢，尤其是體積小、顏色形狀多的產(chǎn)品分揀難度更大，很容易造成分揀失誤［9］。對(duì)工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，分揀速度慢意味著生產(chǎn)出的產(chǎn)品會(huì)在產(chǎn)線上積壓，造成生產(chǎn)線流轉(zhuǎn)不順暢，拉低生產(chǎn)效率。

基于智能控制技術(shù)的分揀系統(tǒng)應(yīng)用于設(shè)備中，由智能裝備研發(fā)的智能分揀機(jī)器人可通過(guò)機(jī)器視覺(jué)識(shí)別分揀取代傳統(tǒng)人工識(shí)別分揀產(chǎn)線，不需要人工干預(yù)［10］。其在保證高效率的同時(shí)也能保證貨物分揀正確，分揀失誤率低，不易造成產(chǎn)品在產(chǎn)線上積壓。自動(dòng)化分揀為企業(yè)減少了很多勞動(dòng)成本，一臺(tái)設(shè)備大概可取代三人，降低了企業(yè)成本。同時(shí)也加快了工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)度，方便管理存儲(chǔ)貨物，確保貨物分揀安全；尺寸可根據(jù)客戶需求設(shè)計(jì)，極大方便了生產(chǎn)加工。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)終將邁入工業(yè)4.0 時(shí)代［11］，未來(lái)智能控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。智能化是工業(yè)4.0 最有價(jià)值的目標(biāo)，也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最核心的驅(qū)動(dòng)力。因此，企業(yè)應(yīng)不斷適應(yīng)生產(chǎn)需求，加快自動(dòng)化轉(zhuǎn)型步伐，提高生產(chǎn)效率，而研究智能控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用正是自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的最大內(nèi)驅(qū)力，也是實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)字化、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的必由之路。