一种仿人智能调节器

本发明涉及自动控制领域，特别涉及PID调节器。

P、I、D调节器是在工业的生产过程中一直广泛应用的一种调 节器，特别是在石油加工的生产过程中对生产装置的优化，提高产品 收率，降低能耗等，PID调节器还是一直广泛应用的调节器，在生产 过程中占据了绝对的地位，也充分显示了PID的优越性，而目前出现 的应用各种技术实施的调节器，如自适应自整定调节器、基于神经网 络的参数自整定调节器，模糊控制调节器等等也都离不开PID，其结 构上只不过是更加使得PID的参数整定更加完善化。一般PID调节器 主要有输入电路、给定电路、PI比例积分回路、自动与手动切换电 路、输出电路及指示电路等组成。对于较为简单的对象，PID调节器 一般是可以取得满意的控制效果，如石油化工中的压力、液面、流量 对象，但对于那些具有较严重的非线性，较大的纯滞后等复杂特性的 对象，常规PID调节器往往很难获得满意的效果，如温度的控制、在 线质量、分析的控制等。

本发明的目的是要提高常规PID调节器的控制品质，使之具备很 强的鲁棒性能并适应生产过程中出现的变化。该调节器要有快速的响 应性和良好的系统稳定性，在运行过程中随着干扰的出现或者操作不 平稳造成的波动，仿人智能调节器随着生产过程的变化而在线改变P、 I值，使P、I值按人的经验不断变化，动态调节的效果好；具有在 线辨识的功能，只要在区间确定好后，就可以很好的辨识控制；具有 良好的动态辨识功能。适用于生产过程的各种对象与场合，对于具有 较严重的非线性，较大的纯滞后等复杂特性的对象控制效果比常规P、 I、D调节器更胜一筹。

本发明的技术方案是在PID运算回路中，建立仿人智能的比例、 积分数学模型，在线动态辨识的数学模型和提高仿人智能调节器的智 商程序。

上述的在线动态数学模型，选取参数en、en-1、en-2，通过不同的组 合，即可在线识别出控制曲线在各点的运动方向及运动的速度及 趋势。上述的参数变量是：

1)en判断偏差的大小，并以此作为判定区间的依据；

2)en*Δen判断曲线在一个周期内的正负上升段和下降段；

3)Δen*Δen-1判断曲线是否出现极值，这个极值是远离给定 值还是接近给定值；

4)｜Δen/Δen-1｜判断控制效果；

5)｜Δen/en｜判断调节速率过快是否造成超调。仿人智能调 节器在线识别被检测系统动态过程是仿人智能比例控制加上仿人智能 积分控制。

在生产过程中由于识别了测量值当前的动态过程，因而，根据经 验比例带的大小就跟着发生变化，以适应动态过程的变化。同样仿人 智能积分也是一样。根据积分的特点是“百害一益”最终消除余差， 同时会导致系统快速性下降，并且在大的波动易使系统发生振荡或过 渡过程过长，如图1(1)、图1(2)所示：

造成上述积分作用不佳的原因在于：这种积分控制作用没有很好 地体现出有经验的操作人员的控制决策思想。在图1(3)的积分曲 线区间(a,b)和(b,c)中，积分作用和有经验的操作人员的控制作 用相反。此时系统出现了超调，正确的控制策略应该是使控制量在常 值上加一个负量控制，以压低超调，尽快降低误差。但在此区间的积 分控制作用却增加了一个正量控制，这是由于在(0,a)区间的积分 结果很难被抵消而改变符号，故积分控制量仍保持为正。这样的结果 导致系统超调不能迅速降低，从而延长了系统的过渡过程时间。

在上述积分曲线的(c,d)段，积分作用增加一个正量的控制有利减 小回调。但在(d,e)区间积分作用继续增强，其结果势必造成系统 再次出现超调，这时的积分作用对系统的有效控制帮了倒忙。

为了克服上述积分控制作用的缺点，采用如图1(4)中的积分曲线， 即在(a,b)、(c,d)及(e,f)等区间上进行积分，这种积分能够为积分 控制作用及时地提出正确的附加控制量，能有效地抑制系统误差的增 加；而在(0,a)、(b,c)及(d,e)等区间上，停止积分作用，以利于系 统借助于惯性向稳态过渡。此时系统并不处于失控状态，它还受到比 例等控制作用的制约。

这种积分作用较好地模拟了人的记忆特性及仿人智能控制的策 略，它有选择地“记忆”有用信息，而“遗忘”无用信息，所以可以 很好地克服一般积分控制的缺点，它具有仿人智能的非线性积分特 性。

本发明的仿人智能的比例、积分数学模型为：

                k

    u(k)=kp*e(k)+k1∑e(I)+kd*[e(k)-e(k-1)]+u(k-1)

              i=1

上升段：

    kp=1/p=1/[(1/｜e｜)*A+B]   kI=1/TI=1/[(1/｜e｜*C+D

下降段：

    kp=1/p=1/[(1/｜e｜)*E+F]      kI=1/TI=G

本发明的提高仿人智能调节器智商程序为语句：

    IF｜en｜＜δTHEN转

    IF｜Δen/Δen-1｜＞α THEN转

    IF｜Δen/en｜＞β THEN三个条件满足加上一个反向阀 位。

该程序的主要流程图如图2所示。

仿人智能PI调节器采样周期一般选择0.5-10秒，最好是2-5秒。

从理论上讲，采样的周期越短越好，这样可真实反映出en、en-1、 en-2的实际值，但由于程序中的一些判断全部基于这三个偏差值，时 间间隔越短，则en-en-1、en-1-en-2这二个参数就体现不出来，因而后 面的算式就无法运算，特别是应用在温度控制系统中更是如此，温度 变化的速度慢，Δen=en-en-1可能为0，因此参数不进行更新，算式 中新的P、I就出现不了，调节效果就不好。

调节器控制系统在稳态时的主环、副环参数选择，只要稳态时调 整的参数控制稳的应用仿人智能的P、I调节器在动态运行的过程中 也可以控制的非常好。一般温度的控制系统主环为P=100、I=3.0、 D=1.6副环P=100 I=3.0 D=2.6在｜en｜=δ区间也选用了这组参数效 果非常好。

调节器的PI的计算式系数的选取，一般为主环比例带变化的范 围为原始参数的0.5-2.0倍，副环参数的变化范围为原始参数的0.8-4 倍。

现在进一步释述本发明的技术方案：

参见图3、系统在控制信号作用下，各阶段变化如下：

①OA段：这一段为系统在控制信号作用下，有静态到动态再向 稳态转变的关键阶段。由于系统具有惯性，决定了这一段曲线只能呈 倾斜方向上升。

为了获得好的控制特性，在OA段应该采取变增益控制。若采用固 定比例控制，当输出达到稳态值时，由于本身惯性所致，系统输出不 会保持住稳态值而势必超调。为了使系统输出上升既快又不至于超调 过大，一个自然而又合理的想法是，当系统输出上升接近稳态而存在 误差ε1时，比例控制作用要降低，使系统借助于惯性继续上升，既 有利于减小超调而又不致于影响上升时间。

②AB段：系统输出值已超过了稳态值，向误差增大的方向变化， 到B点时误差达到了最大值(负)。

在AB段，控制作用应该尽力压低超调，除了采用比例控制外，应 加积分控制作用，以便通过对误差积分而强化控制作用，使系统输出 尽快回到稳态值。

③BC段：在这一段误差开始减小，系统在控制作用下已呈现向稳 态变化的趋势。这时如再继续加积分控制作用，势必造成控制作用太 强，而出现系统回调，因此应不加积分控制作用。

④CD段：系统输出减小，误差向相反方向变化，并达到最大值(正)。 此种情况，应采用PI控制。

⑤DE段：系统出现误差逐渐减小的趋势，控制作用不宜太强，否 则会出现再次超调，显然这时不应施加积分控制作用。

为了有效地模拟人的智能控制行为，并应用计算机实现智能控 制，必须通过一些变量来描述控制系统的动态特征，表征其动态行为。 表1为特征变量的符号变化表。

在模糊控制中，通常选用误差e和误差变化Δe作为模糊控制器 的输入变量，通常模糊控制器的输出u可以表示为： u=f(e,Δe)

表1特征变量的符号变化表   OA段   AB段  BC段   CD段   DE段     en     Δen  en*Δen    ＞0    ＜0    ＜0    ＜0    ＜0    ＞0   ＜0   ＞0   ＜0    ＞0    ＞0    ＞0    ＞0    ＜0    ＜0

如果只根据误差e的大小进行控制，对于一些复杂系统，很难 收到满意的控制效果。例如，当被控系统处于误差较大，而又向减小 误差方向快速变化时，如果只根据误差较大而不考虑误差迅速变化的 因素，必然要加大控制量，使系统尽快消除大的误差，这样的控制势 必导致调节过头而又出现反向误差的不良后果。

当采用两个输入变量e和Δe进行控制时，就可以避免上述的盲 目性，根据模糊控制的基本思想这是不难理解的。因此，可以得出这 样的结论：一个人工控制的复杂系统，在控制过程中，人对该系统的 状态、动态特征及行为了解的越多，控制的效果就会越好。

用计算机控制一个动态系统，根据输入输出的信息来识别被控系 统所处的状态、动态特征及行为，并使计算机借助于这些特征变量更 好地实现仿人智能控制。

从误差e和误差变化Δe这两个基本的模糊控制变量出发，引出 其它特征变量，以便从动态过程中获取更多的特征信息，进而利用这 些信息更好地设计仿人智能控制器。

1)e*Δe 误差e同误差变化Δe之乘积构成了一个新的描述系统动态过程的特 征变量，利用该特征变量的取值是否大于零，可以描述系统动态过程 误差变化的趋势。 令en表示离散化的当前采样时刻误差值，en-1和en-2分别表示前一个 和前二个采样时刻的误差值，则有

Δen=en-en-1

Δen-1=en-1-en-2 对于如图4所示的动态系统响应曲线的不同阶段，特征变量en*Δen 的取值符号由表1给出。 当en*Δen＜0时，如BC段和DE段，表明系统的动态过程正向着误 差减小的方向变化，即误差的绝对值逐渐减小。 当en*Δen＞0时，如AB段和CD段，表明系统的动态过程正向着误差 增大的方向变化，即误差的绝对值逐渐增大。 在控制过程中，计算机很容易识别en*Δen的符号，从而掌握系统动 态过程的行为特征，以便更好地制定下一步控制策略。 2)Δen*Δen-1 相邻两次误差变化之乘积Δen*Δen-1构成了一个表征误差出现极值状 态的特征量，若Δen*Δen-1＜0表征出现极值，则Δen*Δen-1＞0表征 无极值。 把Δen*Δen-1和en*Δen联合使用，可以判别动态过程当误差出现 极值后的变化趋势，如图4中，在B点和C′点处均出现极值，但它 们的en*Δen取值符号却相反，即 B点；Δen*Δen-1＜0；en*Δen＞0 C′点：Δen*Δen-1＜0；en*Δen＜0 在B点后误差趋于减小，而在C′点后误差逐渐变大。 3)｜Δe/e｜ 误差变化Δe与误差e之比的绝对值的大小，描述了系统动态过程中 误差变化的姿态。 将｜Δe/e｜与e*Δe联合使用，可对动态过程作进一步的划分，通过 这种划分，可以捕捉到动态过程的不同姿态。 例如，选取e*Δe＜0且β＜｜Δe/e｜＜α，其中α、β是根据需要而 确定的常数，这种情况相应于图4中曲线BC(或DE曲线)中间部分 的一段，此种情况动态过程是呈现误差和误差变化都比较大的姿态。 如果e*Δe＜0且｜Δe/e｜＞α，则表示曲线BC段中靠近C点处的某 一段，此种情况动态过程呈现误差小而误差变化大的姿态。 4)｜Δen/Δen-1｜ 当前时刻误差变化与前一时刻误差变化之比的绝对值的大小，反映了 误差的局部变化趋势，也间接表示出前期控制效果，如该比值大，表 明前期控制效果不显著。

仿人智能通用P、I算式：

比例带：

    上升段  有极值

P=(1/｜e｜)*RI0008+II0002

    上升段  无极值

P=(1/｜e｜)*RI0012+II0004

    下降段  有极值

P=(1/｜e｜)*RI0006+II0001

    下降段  无极值

P=(1/｜e｜)*RI0007+II0006 积分时间

   上升段  有极值

TI=(1/｜e｜)*RI0010+II0011

    上升段  无极值

TI=(1/｜e｜)*RI0014+II0015

    下降段  有极值

    TI=常数

    下降段无极值

     TI=常数

本发明的优点是提高了常规PID调节器的控制品质，使之具备很 强的鲁棒性能并适应生产过程中出现的变化。该调节器具有快速的响 应性和良好的系统稳定性，在运行过程中随着PI的值的不断变化， 动态调节的效果好；具有在线辨识的功能，只要在区间确定好后，就 可以很好的辨识控制，取得的效果非常满意；具有良好的动态辨识功 能。被检测系统动态过程是仿人智能比例控制加上仿人智能积分控 制，这种积分作用较好地模拟了人的记忆特性及仿人智能控制的策 略，它有选择地“记忆”有用信息，而“遗忘”无用信息，所以可以 很好地克服一般积分控制的缺点，它具有仿人智能的非线性积分特 性。仿人智能调节器调整方便、使用灵活，可根据生产过程对象的不 同，把人的经验熔进参数的设定当中，使之控制的品质越来越好。

仿人智能PI调节器的程序编制是由DCS提供的一个模块进行 的，因此，模块的连接容易，实施也方便，特别对于若干个控制系统 可以程序拷贝后略修改参数后即可，有良好的通用性，便于推广应用。

总之仿人智能P、I调节器显示出了巨大的优越性，不仅保持了传 统P、I、D良好的优点，也充分发挥了仿人的功能，同时具有良好的 通用性、使用性，应用前景非常广阔。

本发明的附图如下：

图1是误差及其误差积分曲线图；

图2是提高仿人智能调节器智商的程序流程图；

图3是二阶系统的单位阶跃响应曲线图；

图4是动态过程曲线图。

实施例1

原油蒸馏装置常压塔-2一线温度控制 众所周知，在蒸馏装置中，常压分馏塔的一线温度最难控制，如何控 制平稳是保证产品质量，提高产品收率的前提，原控制一般正常范围 均为±3℃，投用智能PI调节器后，温度的控制在±1℃左右。 蒸馏塔-2一线温度参数，参见表2。 上升段   有极值  蒸馏塔-2一线回流参数 RI0008=8          RI0008=20 II0002=50         II0002=100 RI0010=0.5        RI0010=2 RI0011=0.2        RI0011=2 上升段   无极值 RI0012=8     RI0012=20 II0004=60    RI0004=110 RI0014=0.5   RI0014=2 RI0015=0.5   RI0015=2.6 下降段  有极值 RI0006=10    RI0006=20 II0001=80     II0001=140 TI=100       TI=100 下降段   无极值 II0007=10     II0007=20 II0006=90     II0006=150 TI=100       TI=100

实施例2

酮苯加热炉的出口温度控制：

作为炼油厂来说，温度控制是最不好控制的系统之一，然而其产 品的质量、收率恰恰在在这个参数中反映的最明显，在仿人智能PI 调节器中特点是能根据不同的状态变化拿出一个不同的PI参数来对 应，从而达到参数的最佳匹配。在这个加热炉中同样控制效果也非常 好±1℃，这说明仿人智能PI的易用性显示出非常好的效果。 酮苯炉-2加热炉温度参数，参见表2。 出口温度         炉膛温度 上升段   有极值 RI0008=60    RI0008=20 II0002=40    II0002=60 RI0010=4     RI0010=6 RI0011=4     RI0011=4 上升段 无极值 RI0012=40    RI0012=20 II10004=60   II0004=70 RI0014=4     RI0014=4 RI0015=4     RI0015=4 下降段  有极值 RI0006=40    RI0006=40 II0001=80    II0001=100 TI=100      TI=100 下降段   无极值 II0007=40    II0007=60 II0006=70    II0006=100 TI=100      TI=100

实施例3

芳烃装置A系列的塔302的塔底温度和重沸器热载体进料量的温 度流量串级控制系统，这是一个典型的化工装置的温度控制，原来控 制波动大导致自控不了，投入仿人智能的PI调节器后，温度波动仅 为0.5℃以下。温度控制参数参见表-2。

表2仿人智能调节器实例参数表 RI0008 II0002  RI0010  RI0011  RI0012 II0004 RI0014 RI0015 RI0006 II0001 II0007 II0006 芳烃FIC-323  20000   130 -120  1.0 -12000 100     1.0  10000  170  10000  10000  190 芳烃TRC-320    10    50  0.1  0.5   10 60     0.1  0.55  3.0  70  10  80 酮苯炉-2出口温度    60    40  4  4   40 60     4  4  40  80  40  70 酮苯炉-2炉臆温度    20    60  6  4   20 70     4  4  40  100  60  100 蒸馏塔-2一线温度     8    50  0.5  0.2   8 60     0.5  0.5  10  80  10  90 蒸馏塔-2一线回流量    20   100  2  2   20 110     2  2.6  20  140  20  160