自適應控制技術

隨著電力電子技術、微電子技術和信息技術的發展,交流電機驅動控制技術也得到飛速的發展.現代交流傳動控制系統總的發展趨勢是智慧型化、模組化、數位化和高頻化.電機控制技術進入了以現代控制理論的套用為特徵的新的發展階段.

基本介紹

• 中文名：自適應控制技術
• 套用：航空方面
• 適應環境：生物能改變自己的習性
• 加工過程： 採用ACM技術最佳化了金屬切削CNC

簡介

自適應控制技術

自適應控制技術

自適應控制系統最早在航空方面首先得到了套用。這是由於飛機的動力學特性決定於許多的環境因素和結構參數，例如隨著飛機飛行的高度和速度的不同，飛機的動力學參數可能在相當大的範圍內變化，要使飛機在整個飛行高度與速度範圍內保證控制的高質量。依靠經典的控制理論是難以解決的，為了解決上述自動控制所面臨的問題，在五十年代末期，美國麻省理工學院的Whitaker教授首先提出並設計了模型參考自適應控制的方案，經模擬研究和飛行實驗表明，在飛機正常速度下，該模型參考自適應控制系統具有滿意的性能。但是限於當時計算機的技術和控制理論的發展水平，這一自適應控制技術的成果未能得到迅速的發展和推廣。隨著計算機技術和控制理論發展水平的不斷提高，特別使由於航空航天事業的迅速發展的需要，目前，自適應控制在航空航天方面亦取得了相應的發展和套用。 隨著計算機技術的發展和理論的不斷完善，自適應控制技術的推廣套用將不斷發展，這種控制技術不但用於各工業部門，例如在航海方面，在化工過程、鋼鐵和冶金工業方面，在電力拖動方面，近年來還推廣套用於非工業部門，例如生物醫學部門。但就現有的關於套用方面的報導來看，自適應控制技術主要用於過程較慢的系統和特性變化速度不很快的對象。但可以相信，隨著理論的不斷完善和計算機技術的迅速提高，自適應控制的套用將會愈來愈廣泛，而收斂則愈來愈大。

自適應控制技術

自適應控制技術

在日常生活中，所謂自適應是指生物能改變自己的習性以適應新的環境的一種特徵。因此，直觀地講，自適應控制器應當是這樣一種控制器，它能修正自己的特性以適應對象和擾動的動態特性的變化。 自適應控制的研究對象是具有一定程度不確定性的系統，這裡所謂的“不確定性”是指描述被控對象及其環境的數學模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機因素。 任何一個實際系統都具有不同程度的不確定性，這些不確定性有時表現在系統內部，有時表現在系統的外部。從系統內部來講，描述被控對象的數學模型的結構和參數，設計者事先並不一定能準確知道。作為外部環境對系統的影響，可以等效地用許多擾動來表示。這些擾動通常是不可預測的。此外，還有一些測量時產生的不確定因素進入系統。面對這些客觀存在的各式各樣的不確定性，如何設計適當的控制作用，使得某一指定的性能指標達到並保持最優或者近似最優，這就是自適應控制所要研究解決的問題。 自適應控制和常規的反饋控制和最優控制一樣，也是一種基於數學模型的控制方法，所不同的只是自適應控制所依據的關於模型和擾動的先驗知識比較少，需要在系統的運行過程中去不斷提取有關模型的信息，使模型逐步完善。具體地說，可以依據對象的輸入輸出數據，不斷地辨識模型參數，這個過程稱為系統的線上辯識。隨著生產過程的不斷進行，通過線上辯識，模型會變得越來越準確，越來越接近於實際。既然模型在不斷的改進，顯然，基於這種模型綜合出來的控制作用也將隨之不斷的改進。在這個意義下，控制系統具有一定的適應能力。比如說，當系統在設計階段，由於對象特性的初始信息比較缺乏，系統在剛開始投入運行時可能性能不理想，但是只要經過一段時間的運行，通過線上辯識和控制以後，控制系統逐漸適應，最終將自身調整到一個滿意的工作狀態。再比如某些控制對象，其特性可能在運行過程中要發生較大的變化，但通過線上辯識和改變控制器參數，系統也能逐漸適應。 常規的反饋控制系統對於系統內部特性的變化和外部擾動的影響都具有一定的抑制能力， 但是由於控制器參數是固定的，所以當系統內部特性變化或者外部擾動的變化幅度很大時，系統的性能常常會大幅度下降，甚至是不穩定。所以對那些對象特性或擾動特性變化範圍很大，同時又要求經常保持高性能指標的一類系統，採取自適應控制是合適的。但是同時也應當指出，自適應控制比常規反饋控制要複雜的多，成本也高的多，因此只是在用常規反饋達不到所期望的性能時，才會考慮採用。

套用

在CNC工具機上套用

自適應控制技術套用

自適應控制技術套用

採用ACM技術最佳化了金屬切削CNC加工過程，提高了加工效率。輪廓銑削省時約38%；銑槽省時約34%；3D銑面省時約37%；鑽孔省時約28%。典型的實際套用技術最佳化了金屬切削加工中的特色。 如何提高金屬切削數控工具機的加工效率，充分利用工具機主軸最大轉速、最大負載和軸最大進給速率,加工材質、切削量多變的工件,同時又能自動保護工具機和主軸系統,保護較昂貴的進口刀具,這已經越來越受到終端用戶和工具機製造廠家關注的問題之一。以色列OMAT公司的ACM自適應控制監控系統正是為了適應這種要求，從控制角度為解決該問題提出的理想方案。 OMAT公司ACM作為西門子840D數控系統的重要選件，可以提供多種版本形式，外裝式ACM裝置、純軟體集成式ACM、PC卡軟硬體混合式ACM和單元軟硬體混合式ACM。其中，第一種軟硬體均做在ACM裝置中，外部接線多，但不受數控系統和主軸驅動器的限制，主要針對老系統和不能安裝集成ACM系統的工具機用。第2、第3種是軟體為主的ACM系統，極少或無外部接線，但是受非出口型數控系統限制，要求系統軟體版本高，目前在出口到國內的840D系統中難以實現。因此我們在與OMAT公司合作中選用了第4種版本的ACM系統。 ·ACM控制單元：數字量輸出至840D系統的NCU，模擬量輸入信號來自OMAT功率感測器模組。ACM測量採集的主軸功率信號通過SINUMERIK RS232 串口與CNC的PC部分通訊。 ·ACM實時控制軟體：集成在ACM控制單元的微處理器中。 ·ACM用戶畫面接口：Windows用戶圖形界面用於配置和監控自適應控制過程。 ACM是一個實時自適應控制系統，實時採樣工具機主軸負載變化，據此自動調節工具機進給率至最佳值。並且時實監視記錄主軸切削負載、進給率變化，刀具磨損量等加工參數，並輸出圖形、數據至Windows用戶圖形界面。這些數據還可以存儲在硬碟供以後查閱存檔。 安裝與調試 1．硬體安裝 原理圖見圖2所示，主軸功率經OMAT LA55-P型電流互感器測量，功率轉換器放大後，由9芯插頭輸入至ACM控制單元；進給修調數字量信號輸入至PLC輸入模組；ACM控制單元與PCU50（用戶操作接口）由RS232串口通信連線。此外還有以下控制信號：ACM激活後給PLC的輸入信號；ACM出現故障進給保持信號；以及PLC報警使ACM產生復位的ACM RESET信號。 2．PLC軟體編程 （1）下載OMAT標準PLC控制程式FB30並在OB1中調用： CALL FB30 “OMAT_CYCLIC FB” ACMFEEDOUT := IB40 //來自ACM的進給修調信號 ACMFEEDOUT := I40.6 //來自ACM的報警進給保持信號 ACMFEEDOUT := I40.7 //來自ACM的激活信號 ACMFEEDOUT := T10 //來自ACM的激活延時信號 （2）局部修改西門子標準MCP（工具機控制臺）管理子程式FC19： U DB50.DBX11.0 "OMAT_CYCLIC FB_IDB". ACMALARMOUT //PLC報警信號 R≠#MST_Inp23 [ 0 ] "NC_STOP" //使NC停止 （3）編程NC報警文本程式（程式略） （4）修改工具機參數：MD12030 OVER_FACTOR_FEEDRATE=1.3 MD12030 OVER_FACTOR_FEEDRATE=1.4 MD12030 OVER_FACTOR_FEEDRATE=1.5

自適應控制技術套用

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3．ACM用戶圖形界面PC軟體安裝 （1）在F:>\OEM下創建OPMS新目錄 （2）將OMAT軟碟上的下列檔案拷入新建目錄F:>\OEM\OPMS ·OPMS.MDI ·OPMS.ZUS （3）將檔案025_GR.DLL和025_UK.DLL拷貝到F:>\OEM\LANGUAGE； 打開檔案RE_GR.INI和RE_UK.INI插入語句：HSKT=“OMATIVE ACM” （4）打開F:>\OEM下的檔案REGIE.INI插入語句： TASK=NAME：=OPMS，TimeOut=6000 （5）拷貝OPMS.INI到F:>\OEM；拷貝OPMS.EXE到F:>\HMI_ADV （6）安裝結束後重新啟動西門子HMI。 運行OMAT ACM系統 ACM PC軟體安裝完畢，在西門子840D系統主選單增加名為OMAT ACM的軟鍵，按此鍵進入ACM主畫面，主畫面顯示下列信息。ACM運行方式，3種方式選其中之一。狀態監視，過載、運行、主軸、線上/離線等狀態。主軸功率和進給率是實時變化曲線及數值。當前運行值，參考編號、零件編號、開始加工時間、運行耗時、切削工件耗時、節約用時（%）、最小進給率（%）、最大進給率（%）、當前修調值（%）。 ACM工作模式： ACM啟動/停止方式：通過NC程式H功能自動或者手動啟動/停止運行。 切削參數輸入方式：切削參數如，刀具類型、齒數、工件材料、切削量（深度）和速度可以手動（Preset）或者在學習（Learn）方式自動記錄切削參數，然後在學習後（by learn）方式按照記錄參數，監控工具機運行。 ACM運行方式： 進給控制方式：ACM連續測量主軸負載並且實時自動調節進給率，出現過載則發出報警停止工具機。 監控方式：ACM連續測量主軸負載但不調節進給率，有兩種監控模式供選擇—最大負載監控或負載允差監控。 事件記錄方式：在此方式ACM只是將動態切削數據存儲在系統存儲器中，不做輸出處理。 OMAT ACM的特色和效果 傳統金屬加工刀具斷裂不可檢測和控制、刀具磨損靠手動監視、效率低，而OMAT ACM系統的自適應控制技術對傳統加工技術提出了挑戰，最佳化了金屬切削CNC加工過程，提高了加工效率。典型套用統計：輪廓銑削省時約38%；銑槽省時約34%；3D銑面省時約37%；鑽孔省時約28%。並且具有下列保護功能：銑刀斷裂保護（報警並停機防止工件及後續刀具損壞）；深孔鑽刀具斷裂保護（報警並停機）；刀具磨損監控（數字顯示磨損量）；主軸過載保護（報警或停機）。 正是由於OMAT ACM獨特的自適應控制技術，效果顯著的實用性，國外許多著名公司如Siemens AG、 Turbinenwerke、 Chevron Aerospace、Boeing、General Electric、Mitsubishi Motors, ToshibaGE 和Toyota Motors等公司都已大量使用，取得了明顯的效果。 交大昆機科技股份有限公司與以色列OMAT公司合作，成功地將單元軟硬體混合式ACM系統集成安裝於產品工具機THM4680臥式加工中心的840D系統上，還做了大面工件切削對比實驗，切削效率提高約33%。ACM的工具機負載量化控制以及對刀具、主軸的安全保護功能，使得操作者放心最大限度的滿負荷使用工具機，而又不至於對工具機造成傷害。這尤其適用於面切削、加工鑄鋼等硬質材料、模具加工業、深孔鑽削、使用高價進口刀具等用戶。國內航空航天、紡織、家電等行業的知名企業也率先正在陸續使用該產品。相信隨著數控加工技術、高速切削等先進金屬加工理念在國內企業的普及套用，自適應加工技術一定會得到廣泛套用。

在工業污水處理系統中套用

自適應控制技術套用

自適應控制技術套用

採用無模型自適應控制技術對乙烯裝置污水處理系統進行PH值控制，可以控制污水排放質量，滿足環保要求，並達到穩定生產，節能降耗的目的。實踐證明該控制技術對PH+大滯後系統有很強的控制能力。 近年來，隨著社會的不斷進步，國際社會越來越深刻的認識到，環境保護對於人類可持續性發展的重要性。我們國家也把環境保護作為一項長期的國策，不斷加大環保治理的力度，提高環保水平，同時出台了一系列有關的法律法規。這就要求我們要不斷採用新工藝和新技術對工業三廢進行有效的處理，以達到日益嚴格的環保指標。 1、無模型自適應控制方案 由PH+大滯後的特性疊加在該系統上，使控制算法相互矛盾，使問題的解決更加困難，簡單的採用傳統的控制手段是無法解決問題。為保證調節效果，方案使用了無模型自適應（MFA）控制技術。 1）簡介無模型自適應控制技術 MFA控制是自動控制領域中一種全新的理論和技術，它為解決工業過程中的複雜迴路控制問題提出了新穎而有效的理念和方法。MFA控制技術是與PID和自整定PID、模糊控制、神經網路、專家系統控制等流行方式是完全不同的。 MFA技術的關鍵可以歸納為：⑴所有過程的信息都已包含在輸入輸出的信號中，只是以往採用傳統的控制方法缺乏有效提取這些信息並加以利用的手段；⑵通過無事先訓練的快速強制學習等方式，使MFA控制器能夠準確把握過程對象當前的特徵，產生更合理的對策，從而獲得理想的調節控制結果。 MFA控制技術具有穩定性證明，對於開環穩定的線性與非線性過程對象的適用性在理論上得到確認。 MFA控制技術主要的套用範圍：非線形（包括PH）、大滯後、強耦合和時變採用傳統控制手段難以控制的過程。 MFA控制技術對於PH+大滯後過程有其獨特的技術特點： ―僅需大致估計滴定曲線的折點和滯後時間，MFA就可以有效地控制 －有效控制流入速率和PH的變化，滴定曲線移動，及其他不確定性 －自適應並補償大的增益改變 在一般的套用場合建立MFA(PH)模組控制器後，利用其默認值就可以得到比較穩定的投運效果。 簡單的PH 模組可以抵抗τ/TT>2 時可將MFA的Time-Varying 模組設為Enable，然後估計出最大和最小的滯後時間，填入模組參數表就可以得到滿意的控制效果。 2）控制目標 該控制將達到以下控制目標： ⑴將污水排放值控制在6.5～7.5 之間。使污水排放控制在合格的範圍內。防止污水排放超標，穩定生產。 ⑵減少控制系統的超調量，減少中和酸的注入量，達到節能降耗的目的。 ⑶增強系統的抗干擾能力，使系統即使在大的干擾出現的時候，仍然能夠保持穩定，且能夠快速收斂；

自適應控制技術套用

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2、無模型自適應控制方案實施 ⑴控制器選擇CyboCon CE。該控制器是美國博軟公司將無模型自適應(MFA)控制技術與Microsoft Windows CE 實時作業系統結合起來，嵌入GEFanuc公司的FC2000工業平台，是一種即插即用式，功能強大的一體化先進控制器。可以通過其自帶的I/O通道直接與一次儀表連線；觸控螢幕完成控制組態和調節趨勢顯示；內置的控制邏輯算法實現連續、間歇控制邏輯的組態， ⑵考慮到污水池油污較多，經常污染PH計探頭，造成PH值偏離實際值，無法滿足控制需要。所以採用了德國產帶有憎污PTFE隔膜的ph探頭。經過安裝、調試、使用發現，該PH計測量準確，有很強的抗油污能力，能夠滿足控制需要。 ⑶為實現連續控制，在P4泵上安裝了變頻器。該變頻器接受MFA控制器的輸出信號。對控制對象實現連續控制。 ⑷考慮到污水處理過程中污水的鹼性和流量有較大的變化，而變頻調速技術有其套用的限制，即當輸出頻率低於工頻的20%時，電機較易發熱，這就意味著最大與最小處理能力的比值不能超過5。但現場工況的考察結果表明，這樣的處理能力是遠遠不夠的。方案選擇了雙泵工作方案，即P4泵做常穩態的連續調節，並限制其不在工頻的20%以下工作，必要時可關閉該泵；P3泵作為P4泵的補充，在P4泵的能力不夠時開啟。 設計中必須考慮一套控制邏輯實現上述目的。初步設計利用CyboCon CE的邏輯模組組成控制邏輯。其主要原理是：在設定值的上下各設一個帶，形成PH值的上下限，上限與變頻器輸出頻率構成邏輯控制P3泵的啟停，下限與變頻器的輸出頻率過程邏輯控制P4泵的啟停，中間作為連續調節區。 考慮防止P3、P4泵在上下限處頻繁啟停，損壞設備，在上下限處各增設一條寬為0.1的死區。 P4泵的控制邏輯如下： DO=(是否位於死區？) AND (DO) OR(PV≤下限) ⑸由CyboCon CE輸出DO信號作為HeartBeating信號，接至指示燈，反映CyboCon CE的運行狀態。指示燈閃爍，表示MFA正常；指示燈停止閃爍，表示MFA異常。 3、系統投運的效果 正常狀況下系統實現了連續排放，排放值為PH=7.0±0.15。 在最大流量廢鹼外排的衝擊狀況下，P4泵接近滿流量輸出，PH值繼續上升至8.5時，CyboCon CE自動啟動P3泵補充加酸量，當PH值下降至8.4時P3泵停止，隨後PH值在7～9之間波動。衝擊停止後，系統自動恢復正常狀況。 在小流量低鹼的情況下，P3泵在最低保護流量輸出，PH值下降至6.5時，CyboCon CE 自動停止P4加酸泵。當PH值回升至6.6時，P4泵啟動，隨後PH值在6～7之間波動。廢水流量提高后，系統自動恢復正常狀況。 在控制過程中，控制器始終處於自動狀態，具有較強的魯棒性。

在通信領域的套用

自適應控制技術套用

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在短波自適應通信系統中，自適應控制器是系統的指揮中心，是系統成敗的關鍵。自適應控制系統是一種特殊的非線性控制系統，系統本身的特性(結構和參數)、環境及干擾特性存在某種不確定性。在系統運行期間，系統本身只能線上地積累有關信息，進行系統結構有關參數的修正和控制，使系統處於所要求的最佳狀態。 因為短波信道是一種極不穩定的時變信道，所以短波自適應系統屬於隨機自適應控制系統。通常，隨機自適應控制系統是由被測對象、辨識器和控制器三部分組成的。辨識器根據系統輸入/輸出數據進行採樣後，辨識出被測對象參數，根據系統運行的數據及一定的辨識算法，實時計算被控對象未知參數的估值和未知狀態的估值，再根據事先選定的性能指標，綜合出相應的控制作用。由於控制作用是根據這些變化著的環境及系統的數據不斷辨識、不斷綜合出新的規律，因此系統具有一定的適應能力。目前，參數估計和狀態估算的方法很多，最優控制算法也很多，因而組成相應的隨機自適應控制系統也是非常靈活的。 某自適應通信系統的自適應控制器功能的實現主要由顯示控制板、信息處理板、音頻接口板和調製/解調器板完成。 信息處理板完成自動線路建立(ALE)的功能，軟體設計完全依據短波自適應通信系統自動線路的建立規程。信息處理板主要分為兩個部分，每個部分由一個獨立的處理器控制，即主CPU部分和從CPU部分。主CPU部分處理外部控制單元的控制信號，井實現對電台的設定，以及控制終端的輸入/輸出和對電台的控制、存儲和調用LQA信息等。從 CPU(TMS320C25)完成線路信號質量的分析，並對傳送的信號進行編碼，對接收的信號進行解碼。信號質量由誤碼率(SER)、信納德(SINAD)和多徑(MP)等評價參數來表征，這些參數被存儲起來作為單向ALE判決或與其他台站交換後作為雙向ALE判決，經與主CPU交換後儲存在存儲器中。另外，呼叫時接收到的命令代碼經DSP解碼後送到主CPU，主CPU解釋命令代碼後執行相應的操作。從CPU處理從主CPU接收到的ALE命令信息後，進行格雷編碼和交織，每個ALE字通過重複傳送來減少衰減、干擾和噪聲的影響。ALE信號結構都由DSP編碼實現，通過D/A轉換後經接口板調整輸出到發射機，接收到的ALE信號也從接口板輸入經A/D轉換後送到DSP解調，取出信號傳送的質量表征值，同時去交織和解碼後的基本ALE字經雙連線埠存儲器送到CPU，主控CPU按ALE標準做出解釋，並決定通信的進程和效果。 音頻接口部分主要對音頻信號進行處理，包括自適應呼叫時自適應音頻的調整、放大，遠程遙控發射機PTT音頻的產生、調整、放大，獨立邊帶音頻輸入經過調整、放大後上遙控線路，以及話音的壓擴、調整、放大。同時，信息處理板與顯示控制板之間的信號交換也在音頻接口板進行。自適應呼叫時的ALE PTT控制、面板送話器PTT控制、面板電鍵 KEY PTT控制經過音頻接口板後，由PTT OUT輸出，可實現對本地發射機的PTT控制。 在短波自適應通信系統中，隨著自適應功能不斷增強，控制的參數也不斷增加，辨識器的功能和形式也逐漸增多，控制能力勢必要增大，因此自適應控制器也相應地複雜起來，這就需要自適應設計者統觀全局、綜合分析，以儘可能減少被測對象，簡單可行而又有效的辨識方法，獲得儘可能多的自適應控制能力。

在玻璃窯爐控制中的套用

自適應控制技術套用

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1、問題的提出 玻璃窯爐是玻璃製品生產行業的關鍵設施，其生產玻璃的質量決定了玻璃製品的產量、質量和生產效能。玻璃窯爐有一個極其複雜的溫度場，在進行生產時不但各處溫度不同，而且同一處溫度也會隨時間而變化。影響窯爐玻璃溫度的因素有環境溫度、加料速度和數量、熔化池內部壓力（負壓或正壓）、熔融玻璃的液位、燃燒室燃料的質量等。而熔化池和料道的溫度控制是玻璃窯爐控制的關鍵因素。從控制的角度來看，玻璃窯爐的控制是一個“灰箱”問題，即無法確定所掌握的過程知識的精確程度。目前廣泛套用的傳統PID控制效果不好，經常出現系統失控問題。 2、過程參數分析 熔化池不僅要有足夠高的溫度以保證玻璃原料的熔化、澄清和均化，還要有一定的溫度梯度，以促進玻璃液的流動、加速熔化和均化。同時，料道溫度要十分穩定，以保證玻璃製品的生產質量。窯爐的控制參數包括溫度、壓力、液位、物料等，控制對象包括電控閥門、風機、電機等。這些參數是相互關聯的，如加料的速度和數量直接影響到熔化池內部的液位值、各區的溫度值；熔化池內部壓力又會影響到燃料的燃燒效率從而影響溫度值。對於單個參數，如溫度控制，在連續作業的窯爐中，不同區域應保持不同溫度設定值。由於以上原因，使用二型或三型儀表的單迴路PID控制器對具體參數進行分區控制的效果不夠理想，各控制器之間沒有相互聯繫，各參數的變化無法溝通，對於溫度控制這種大時間延遲的系統來說，一旦前區溫度、壓力、液位、加料量等參數發生較大變化時，料道控制器對料道溫度的控制將無能為力，這將直接造成廢品率上升，帶來巨大的損失。因此窯爐的控制是一個複雜的控制系統，表現在： （1）過程參數的時變性：熔化池的主要參數溫度、液位、加料量、壓力參數都隨時間波動。例如在對溫度極其敏感的料道區，前區溫度的滯後以及電控閥門的開度變化和燃料管道壓力的變化之間存在時間差，使得控制參數在超出一定的調節範圍時，PID控制系統可能失控。 （2）負荷變化大：由於環境溫度的變化和加料時產生的溫度衝擊，使得熔化池內溫度負荷波動很大。另外，因燃料流量波動或管道壓力變化而產生的熱值變化給溫度控制迴路帶來了很大的擾動。 （3）多點溫度的關聯控制：玻璃窯爐的燃燒室、熔化池、供料道等需要有不同的溫度點，各溫度點的控制是相互關聯的。由於各區域之間相互影響，使用單輸入單輸出（SISO）控制器很難有效地控制這種多輸入多輸出（MIMO）的過程。 （4）參數的非線性：加料過程帶來的衝擊、燃氣的流量和壓力的變化、控制器執行機構（感測器、變送器、電氣轉換裝置和閥門的開閉）延時和非線性變化的累積，造成整個系統的參數的非線性。PID控制或基於模型的控制器能在系統參數正常的情況下很好工作，但是一旦參數變化的範圍在非線性區域就系統就失控了。

自適應控制技術套用

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3、解決途徑 為了解決以上問題，我們採用無模型自適應控制技術(Model-Free Adaptive Control，MFA)來替代傳統的PID控制方式。無模型自適應控制(MFA)技術可以用於以下特性的系統：（1）無需過程的精確的定量知識；（2）系統中不需要過程辨識機制；（3）不需要針對某一過程進行專用的控制器設計；（4）不需要複雜的手動參數調整；（5）閉環系統穩定性分析和判據能用於系統分析以確保系統的穩定性。由於這些特性，無模型自適應控制方式比原來的PID控制系統更適合玻璃窯爐控制。 MFA控制器中使用了所謂“刷新權值”的算法。即通過一些特定算法，縮小設定值和過程變數之間的偏差。這意味著當過程處於穩定狀態時偏差接近零，不需要對MFA控制器的權值進行修改。 在這個系統中，MFA控制器裝置由兩路控制器C1、C2組成，系統中有4個子過程G11、G21、G12、G22，過程的總的輸出變數y1、y2也用於主控制迴路的反饋信號f1、f2。他們與設定值r1、r2比較來減少干擾d1、d2。 其中有兩個子過程的輸出交叉相連用來減小過程變數（在實際套用中從子過程的輸出是不測量的），系統中只有輸出信號y1、y2能被測量。這樣，MFA控制器的輸出u1、u2 與過程輸出y1、y2是關聯的。一個輸入的變化將引起兩個輸出變化。

自適應控制技術套用

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4、窯爐的基本控制過程 按區域劃分，玻璃窯爐的溫度檢測有小爐、熔化池和料道，其中：（1）小爐為燃料燃燒的地方，是熔化池的熱力來源；（2）池爐是玻璃熔化、沉澱、澄清和均化的場所，對其溫度要求是要有一定的溫度梯度。由於直接為料道區提供原料，其溫度的穩定對玻璃的生產有至關重要的作用，這裡是窯爐控制監測的重點，至少需要三個溫度檢測點、一個壓力檢測點和一個液位檢測點；（3）料道是玻璃製品生產的出口，為了保證玻璃製品的質量，料道溫度控制分為三個區域，並分別有相應的溫度控制點。從控制系統結構圖上看，這是一個多輸入多輸出系統。 原有控制系統對池爐的三個溫度控制點及壓力只進行監測，用池爐的液位值來控制加料機的動作，即液位低於設定值時加料，高於設定值時停車。對料道三個區用三個單迴路的PID控制器進行控制。這是一個容易實現的傳統控制方式。然而系統必須在手動狀態下進行啟動，在參數波動大時也很難保持在自動控制狀態下，因為對干擾很敏感，特別是當參數變化大時，系統經常振盪。 原有控制系統的主要問題是多變數控制系統分解成了一個個單變數系統，這在傳統工業過程控制中是很普遍的。在新的MFA控制系統中，按多變數控制的準則將進行下面改進： （1）通過MFA控制器實現對小爐溫度的控制。根據熔化池溫度以及燃料管道壓力情況，適當調整風機進氣量，從而使小爐的溫度穩定在設定值的範圍內。 （2）對熔化池的控制：實現溫度、壓力、液位的聯合控制。比如熔化池T1溫度高時，適當增加加料量從而強制降低溫度值，而加料量要受液位感測器的限制；對於由於溫度高低造成的爐內壓力變化，則通過調整煙道閘門的開度進行調整。同時將熔化池的參數變化情況，通過MFA控制系統傳遞給料道的溫度控制系統，通過一定的參數設定（比如根據熔融玻璃的流速設定從熔化池到料道的時間），來對料道的溫度值進行提前預判性的調整。 （3）對料道的控制不再採用單個參數的控制，而是通過MFA控制器，按一定的算法，實現對三個區域的聯合調整，從而避免了採用單個參數PID控制時由於時滯造成的溫度波動。作為輔助手段，對料道等重要區域的控制使用原有的PID控制作為備份。 控制系統包含一套PLC邏輯控制和PID控制裝置，兩台運行WindowsNT的PC。把Wonderware’s Intouch HMI軟體安裝於PC上用於數據接收和監控。CyboSoft公司的CyboCon軟體安裝在一台PC上以提供先進的控制方式。因為CyboCon是一個軟體包產品，安裝、配置和I/O接口都很容易配置。當使用MFA控制器時，只需要知道一些過程的控制類型和過程的粗略時間常數即可。CyboCon的控制器通過Intouch的軟體連線到系統。操作者可以用面板和在Intouch或CyboCon控制螢幕上的趨勢線來監控和改變控制器設定。系統運行後，MFA控制器就可立刻進入控制狀態。操作人員能在PID控制、手動和MFA控制模式之間切換。一旦PC出現問題，PLC將很快接管控制。 MFA技術無需使用者對控制器進行專門設計，只要選擇相應的控制器並簡單地設定控制器參數就可以將MFA控制器投入使用。這是無模型自適應控制器與其它基於模型的先進控制器的一個主要區別，也是MFA控制器的主要優勢。

在網路流媒體傳輸中套用

自適應控制技術套用

自適應控制技術套用

流媒體技術是一種專門用於網路多媒體信息傳播和處理的新技術，該技術能夠在網路上實現傳輸和播放同時進行的實時工作模式，相對於其他的一些音視頻網路傳輸和處理技術，流媒體比較成熟和實用，目前已經成為網上音視頻（特別是實時音視頻）傳輸的主要解決方案。 目前，制約流媒體寬頻套用發展的關鍵在於網際網路的服務質量，流媒體從理論上解決了大容量網路多媒體數據傳輸的實時性要求問題，但是由於大型分組交換網路（例如Internet）中數據傳輸受到諸多因素的影響，網路的狀況是不可靠的，其頻寬、負荷等的變化難以滿足流媒體寬頻業務的實時性服務質量要求，並且常常造成播放卡殼、延遲、視頻抖動劇烈，給使用者感官造成很大影響，所以解決好流媒體網路套用的服務質量問題對於流媒體寬頻套用是極為重要的。 1、目前的流媒體傳輸模式 流媒體之所以能夠實現多媒體數據的實時播放，是採用了專門的網路控制協定（RTP，RTCP和RTSP等）和數據傳輸機制。伺服器端有專門的流媒體發布系統，而客戶端則有專門的播放器，這兩個部分都需要通過數據快取區進行數據的快取。與普通的分組交換網路不同，流媒體系統的快取區域中的數據在數據傳輸過程中是動態的，也可稱為是交換狀態的，數據以堆疊方式進出緩衝區，而不需要等待數據全部達到客戶機後才從緩衝區中被釋放出來，由於數據緩衝區中的數據是“流動”的，再加上數據的播放需要維持一個穩定的數據輸出速度，隨時都要求緩衝區有相應的數據提供給播放器，如果沒有相應的數據，則會出現內容播放過程中的暫停和畫面的跳躍，出現前一種情況一般是由於網路傳輸速度跟不上數據的播放速度，而發生了數據的下溢，而後一種情況的發生是由於網路傳輸速度過快，超過了播放的速度，而又沒有適當的傳輸控制而造成的數據上溢。 解決流媒體系統的服務質量問題一般有兩條路徑：一是在“路上”做文章；二是在流媒體系統本身做文章。ISDN技術、ATM技術以及未來的IPv6等網路協定屬於前一種辦法，但是，截至目前為止，ISDN與ATM並沒有成為網路技術的主流，TCP/IP仍然是事實上的標準。在流媒體系統本身做文章也有深入探討，主要是從電子學與計算機科學的角度出發，如各種編碼技術、壓縮技術等，但是流媒體系統的瓶頸問題並沒有很好的解決。

自適應控制技術套用

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（1）早期的流媒體傳輸模式——無控制傳輸 在早期的流媒體寬頻系統里，視頻伺服器通過網路向客戶機實時傳送流媒體信息，在網路上進行傳輸的多媒體信號的數據量主要取決於內容提供方提供的音視頻檔案的大小，用戶沒有選擇的餘地，也不會根據網路情況來判斷和調整傳輸的頻寬需求，這種模式下，對於網路條件的假設是建立在一個比較穩定且頻寬較大的條件下，如果網路頻寬達不到數據傳輸的需求，就會出現播放停滯和馬賽克畫面。目前Internet上大多數以流媒體形式提供的音視頻內容都是這種模式提供的，因此對於撥接等窄帶用戶來說，要欣賞網上的多媒體內容將會很困難。 （2）目前的流媒體解決方案——預先網路條件測試 早期固定方式進行流媒體傳輸的技術非常不適合於不同頻寬和接入方式的用戶使用，在目前的一些主流流媒體系統中，採用了預先網路條件測試的方法，流媒體服務提供者事先對同一節目準備幾種不同數據量（當然質量也不相同）的版本，當收到服務請求時，先測試請求者的網路頻寬條件，然後按照得到的測試結果自動選擇傳送的版本。這種模式下，可以自動根據網路條件為用戶提供適應頻寬要求的多媒體內容，因此相對於早期的固定模式來說，更有利於多媒體數據的流暢播放。 但是這種預測傳輸方式也有缺陷，在這種模式下，只考慮了接入者在預測時的網路條件，而忽略了多媒體數據在傳輸過程中的網路狀況變化，而實際的網路情況常常變化很大，使得原來比較適合的多媒體傳輸速度發生變化，會在數據傳輸的時候出現數據的上溢和下溢，造成用戶觀看或聆聽信號的跳幀和停滯。 2、網路流媒體傳輸過程中實現自適應 如果要適應目前不穩定的網路條件，克服網路狀況不確定所造成的影響，視頻伺服器必須自適應地調整傳送策略來保證視頻服務的質量和實時性，為此，目前出現了一種自適應網路頻寬的實時流媒體傳送控制技術，也稱為自適應網路頻寬的流媒體傳送技術，其中利用了自適應控制技術、模糊控制技術、反饋與前饋控制技術。與目前已有的流媒體傳輸系統不同，在該技術方案中，為伺服器端添加了一個新的控制部件——自適應調度與調節器，用於在數據傳輸過程中隨時監控網路的傳輸狀況，並調節伺服器端的數據傳輸速度，以保證數據在客戶端的流暢播放。由於採用了實時的網路監控機制，使得傳送出來的數據更適合於當時的網路狀況。 本方案便於實現，根據該技術方案實現的原型系統在試驗網路條件下測試效果非常理想。測試結果表明，在網路頻寬劇烈變化的情況下，視頻播放質量的變化很平緩，接收方緩衝區沒有發生上溢或下溢，客戶始終能享受到連續的視頻播放，沒有出現播放卡殼，也沒有出現由於緩衝區上溢而丟失從網路傳過來的數據，傳送緩衝區也沒有發生下溢，數據傳送模組始終有數據可發，因此網路頻寬得到了充分利用。

在煤粉計量系統上的套用

自適應控制技術套用

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入窯餵煤系統是水泥廠燒成系統的關鍵環節之一，特別是水泥生產的乾法工藝和大型化，對餵煤提出了更高的要求，準確而又及時地計量、控制、調節入窯和分解爐的餵煤量，是穩定窯的熱工制度，提高窯的產量、提高熟料質量、降低能耗和保證窯的安全穩定運行的關鍵因素之一。但是迴轉窯用煤粉具有細度小、乾燥的物理特性，流動性好，若水份含量大或積壓存放時間長又可能出現粘結，因而控制不當可造成涌料或棚倉。針對上述要求，我們從系統工程角度出發，研製開發轉子秤煤粉計量控制系統，該項目今年獲國家科技部專項資金重點支持發展項目。 1、系統概述與組成 該系統由煤粉稱重倉、粉體餵料機、轉子秤、鎖風輸送裝置及電氣控制部分組成，粉體餵料機採用迴轉型、多分格、多層式、均壓容積穩定餵料結構，轉子秤採用多分格轉子式環狀天平結構，稱重感測器檢測料重，磁電式轉速感測器測速，電氣控制部分由PLC模組構成主控單元來實現雙迴路自動調節。 2、系統工作原理 煤粉由進料口進入稱重倉，通過感測器檢測來穩定倉的料位，從而得到穩流的作用。煤粉經穩流後再由餵料機均勻穩定地餵入轉子秤。進入轉子秤的煤粉由轉子從進料口帶至出料口並餵入下級設備。特殊設計的結構使得荷重感測器能精確的測出轉子秤圓盤體中煤粉的重量，並輸出重量信號，該信號與轉子的轉速信號一起經控制系統處理運算得到煤粉的實際流量，通過調節轉子的轉速，實現煤粉定量給料。餵料機的轉速跟蹤轉子秤的轉速同步調節，保證系統穩定、準確運行。 3、硬體組態 轉子秤煤粉計量控制系統主機部分選用德國西門子公司SIMATIC S7系列PLC。CPU選用224 DC型，它本身具有14個DI和10個DO，通過它可實現邏輯連鎖、狀態反饋及多路高速計數。擴展模組選用3路12位AI和4路12位AO，通過它可實現與現場信號的AD、DA，以及與中控的模擬量通訊（保留）。由於CPU為SIMATIC S7系列，它還能很方便地實現數字通訊及網路連線。 系統硬體設計充分考慮抗干擾措施。系統由SPU信號處理單元完成對系統中現場弱信號（如轉子中煤粉的負荷、稱重倉內煤粉的負荷等）的現場採集、放大、轉換以及傳輸等工作。系統測速部分用原裝進口磁電式編碼器，經倍頻電路後直接送入CPU224的高速計數口計數，以確保測速精度在1‰之內。系統的模擬輸出AO與系統調節單元（變頻器）之間採取加信號隔離器來抑制干擾。 系統人機界面採用西門子公司觸摸面屏TP27。通過TP27可很直觀地監視系統的運行狀態、各種參數信息，包括系統的設定值、瞬時值、累計值、運行趨勢、報警信息等。同時，還可通過TP27上所顯示的選單（按鈕和輸入域）直接控制系統運行。 4、控制軟體 本系統是一個多變數、多迴路的滯後系統，用常規的PID控制很難獲得良好的控制性能。在控制方式上，針對煤粉物料的特性，系統軟體採用了預置控制加前饋自適應PID調節的方式。首先，根據設定流量預置餵料機的轉速，實現初步預給料，再通過設定荷重與檢測荷重的差值來調節餵料機，同時對餵料機的調節加約束條件，保證轉子秤內物料的負荷維持在設定的相對水平，從而實現穩定餵料；通過設定流量與檢測流量的差值來調節轉子秤，從而實現精確計量。 上述雙環調節既相互配合又相互影響，為了防止兩環振盪，軟體上採取了許多特殊的措施，如調節時間的選擇、步長的選擇、PID參數的最佳化等。在調節時間上我們選擇外環時間T大於內環時間T的3倍，步長上我們選擇分段可變步長，PID參數的整定上我們選擇具有控制參數收斂快，計算工作量相對較小，實用的單純形加速法自適應控制方式，它既能反映動態性能又能反映穩態特性。

在長軸類負載上的套用

自適應控制技術套用

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在長軸類負載的電氣傳動系統中，必須解決如何消除扭振的問題。經典的控制理論不能提供有效的解決辦法，只能從機械材質上入手解決。現代控制理論提供了從控制系統的角度解決這一問題的方法，其中的自適應控制方法，就可以很明顯地改善或避免扭振對系統造成的影響，提高系統的動態性能。RMFC和AMFC是日本三菱電機開發的基於PI調節器的自適應控制方法，參數設定和調節均簡捷方便，在熱軋薄板生產線夾送輥等長軸類負載的控制上已經成功套用，並取得了很好的使用效果。 1、電氣傳動自適應控制技術 自適應控制的主要思想是：構造一個與原系統相同的模型系統，並觀測或估計模型系統的狀態。將模型系統的狀態與原系統狀態進行比較，利用得出的觀測誤差來進行反饋修正，從而完成對系統的控制。常用的自適應控制系統是基於PI調節器構成的，具有既結構簡單，又具有一定的自適應能力的優點。 自適應控制方法很多，上面只是其中一種。對於有條件安裝速度檢測器的使用場合，上面通過電流計算得出的轉速就可以作為電機模型的輸出值，經過與實測值比較，就得到了觀測誤差，從而實現基於PI調節器的閉環自適應模型參考跟蹤控制系統。 RMFC(Reference Module Following Control)即模型參考跟蹤控制，AMFC(Adaption Module Following Control) 即自適應模型跟蹤控制，都是基於PI調節器構成的自適應控制技術。實際套用中可將二者結合，實現RMFC+AMFAC控制，既自適應模型參考跟蹤控制。由控制器“SC2”和電機“模型”構成速度的模型控制系統。由控制器“SC1”，“CCq”，功率單元和電機“控制對象”以及反饋環節“濾波器”構成實際的轉速電流雙閉環控制系統。N*為轉速給定信號，N‾為電機的實際轉速。AMFC是一個小慣性環節，作為自適應控制的調節環節。“斜坡器”為給定斜坡信號發生環節。系統依靠速度的模型控制系統和實際的轉速電流雙閉環控制系統的速度輸出偏差，實現對系統實時控制。 系統工作在穩態時，主要是轉速電流雙閉環控制系統起作用，速度的模型控制系統雖然也在運行，但穩態時模型的輸出就等於給定值。只有在系統進入暫態時，由控制器“SC2”和AMFC環節才起到重要的調節作用。因此，RMFC+AMFAC控制系統是一種提高系統的暫態性能的現代控制方法。 2、自適應控制技術在長軸類負載上的防扭振套用 隨著現代生產節奏和自動化程度的日益提高，生產設備的空間分布比以往更加密集。在薄板坯連鑄連軋生產線上，各種設備的空間擺布就非常緊密。這就難以避免有些設備要通過一個很長的傳動軸來驅動。眾所周知，隨著長度的增加，傳動軸的剛度會下降，在起動、制動、帶負荷加減速和負荷有波動時，長傳動軸的彈性形變舊不能忽略，因為在這些情況下非常容易產生扭振現象。發生扭振時，系統出現電流、速度上的震盪，電流、速度反饋均出現劇烈波動，導致整個系統不能穩定工作，甚至出現傳動軸因震動產生的疲勞而折斷的情況。 RMFC+AMFAC控制系統是一個具有一定自適應能力的控制系統，具有很強的抗干擾能力。由於AMFC是一個小慣性環節，所使用的速度反饋信號用沒有經過濾波環節，並且引用的是模型速度和實際速度的偏差信號，所以對速度擾動的回響非常快。設定好AMFC的參數，就能很容易地避開長傳動軸的扭振發生。RMFC的速度模型中，採用了一個比例速度調節器，另設了一個積分環節的“模型”來輸出速度參考值，這樣就能非常好地解決加減速和起制動時的速度震盪問題。所以說，RMFC+AMFAC控制實際上就是“自適應模型參考跟蹤控制”。 在調節RMFC+AMFAC控制系統的速度環之前，首先設定好小慣性環節AMFC的參數和“模型”的參數。“模型”是一個積分環節，積分時間與實際控制對象一致。設定AMFC的積分時間參數時要注意，AMFC之前的比較環節所使用的是沒有經過濾波的電機實際轉速信號，所以AMFC環節的慣性要足夠小。調節速度環的比例增益時，按照先SC1後SC2的順序，由小到大逐漸增大，同時注意觀察速度回響的變化情況。實際套用時，“SC2”的比例增益調節得與“SC1”的比例增益一致。