专家系统第10章专家系统的推理控制

1、第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems1第第1010章章 专家系统的推理控制专家系统的推理控制 10.1 工业过程自动控制概述 1）连续过程自动化的应用领域）连续过程自动化的应用领域 连续过程自动化的应用领域主要包括冶金、化工、炼连续过程自动化的应用领域主要包括冶金、化工、炼油、发电、造纸、医药、轻工等工业部门（支柱产业），油、发电、造纸、医药、轻工等工业部门（支柱产业），对国民经济发展起着举足轻重的作用。对国民经济发展起着举足轻重的作用。 2）连续过程自动化的特点）连续过程自动化的特点 （1）连续生产，过程复杂，系统庞大，安全性要求

2、高。）连续生产，过程复杂，系统庞大，安全性要求高。 （2）对自动化技术要求高，自动化程度发展很快。）对自动化技术要求高，自动化程度发展很快。第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems210.2.1 10.2.1 推理控制概述推理控制概述 1 1）对于过程可测的扰动，采用前馈控制能有效地克服其对输）对于过程可测的扰动，采用前馈控制能有效地克服其对输出的影响。因此，出的影响。因此，前馈控制在过程控制中得到广泛的应用前馈控制在过程控制中得到广泛的应用。2 2）在实际工业生产过程中，存在这样一些情况，即有些过程）在实际工业生产过程中，存在这样一些

3、情况，即有些过程的的扰动扰动、甚至过程的、甚至过程的输出输出是是无法测量无法测量或或难以测量难以测量的。如有些的。如有些测量仪表价格非常昂贵，有些测量装置性能很不可靠，有些测量仪表价格非常昂贵，有些测量装置性能很不可靠，有些检测仪器测量死区太大，有些测量结果滞后很多等。检测仪器测量死区太大，有些测量结果滞后很多等。 对于这类过程，由于无法测量扰动量或输出量，也就无对于这类过程，由于无法测量扰动量或输出量，也就无法采用前馈补偿的办法进行扰动补偿。因此，采用法采用前馈补偿的办法进行扰动补偿。因此，采用APCAPC是解决是解决这类这类实际问题非常有效的办法。实际问题非常有效的办法。10.2 推理控制

4、系统第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems33 3）对于输出可测、扰动不可测的过程，可以采用降维状态）对于输出可测、扰动不可测的过程，可以采用降维状态观测器，先估计出扰动量观测器，先估计出扰动量d d（不可测），然后根据扰动的估（不可测），然后根据扰动的估计值进行前馈控制。计值进行前馈控制。4 4）对于扰动和输出均不可测的过程，不得不采用）对于扰动和输出均不可测的过程，不得不采用控制二次控制二次输出输出的方法，的方法，间接间接地对过程的主要输出进行地对过程的主要输出进行控制控制。 10.2.2 常规控制系统常规控制系统 常规控制系统结

5、构图如图常规控制系统结构图如图1 1。推理控制系统第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems4图图1 1 常规控制系统结构图常规控制系统结构图 主要输出主要输出过程的不过程的不可测扰动可测扰动二次输出二次输出第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems5 图图1 1各部分的作用如下：各部分的作用如下： R(s)R(s)为过程的设定值为过程的设定值 Y(s)Y(s)为过程的主要输出为过程的主要输出 Ys(s)Ys(s)为过程的二次输出为过程的二次输出 Gp(s)Gp(s)和和 Gps(s

6、)Gps(s)为控制通道的传递函数为控制通道的传递函数 A(s)A(s)和和B(s)B(s)为扰动通道的传递函数为扰动通道的传递函数 D(s)D(s)为过程的不可测扰动为过程的不可测扰动推理控制系统第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems6 在常规调节器的作用下，系统的主要输出为：在常规调节器的作用下，系统的主要输出为： 系统的二次输出为：系统的二次输出为： 若采用若采用PI调节器，调节器， )()()(1)()()()()()()(1)()(sDsGpssGcsGpsGcsAsBsRsGpssGcsGpsGcsY )()()(1)()

7、()()(1)()(sDsGpssGcsAsRsGpssGcsGpssGcsYssTKcsGcI11)(推理控制系统第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems71 1）在设定值）在设定值R(s)R(s)为阶跃扰动作用下，系统输出的稳态偏差为阶跃扰动作用下，系统输出的稳态偏差分别为：分别为： 主要输出的稳态值：主要输出的稳态值：R(0)-Y(0)=1-Gp(0)/Gps(0)R(0)R(0)-Y(0)=1-Gp(0)/Gps(0)R(0) 二次输出的稳态值：二次输出的稳态值：R(0)-Ys(0)=0R(0)-Ys(0)=02 2）在不可测阶

8、跃扰动作用下，系统输出的稳态偏差分别为：）在不可测阶跃扰动作用下，系统输出的稳态偏差分别为： 主要输出：主要输出：Y(0)=B(0)-A(0)Gp(0)/Gps(0)D(0)Y(0)=B(0)-A(0)Gp(0)/Gps(0)D(0) 二次输出：二次输出：Ys(0)=0Ys(0)=0式中式中: Y(0)Y(0)和和Ys(0)Ys(0)表示输出的稳态值，表示输出的稳态值， Gp(0)Gp(0)和和 Gps(0)Gps(0)表示控制通道的静态增益，表示控制通道的静态增益， A(0)(0)和和 B(0)B(0)表示扰动通道的静态增益。表示扰动通道的静态增益。推理控制系统第10章 ES的推理控制Inf

9、erential Control of Expert Systems8 3) 3)结论结论 对于上述系统，当采用对于上述系统，当采用PIPI调节器时，在设定值阶跃扰动调节器时，在设定值阶跃扰动和不可测阶跃扰动作用下，系统的和不可测阶跃扰动作用下，系统的二次输出稳态值是无偏二次输出稳态值是无偏差的差的，但系统的主要输出的稳态值是有偏差的。，但系统的主要输出的稳态值是有偏差的。 推理控制系统第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems9 10.2.3 10.2.3 推理控制的产生推理控制的产生 推理控制的基本思想是由美国的推理控制的基本思想是由

10、美国的Coleman BrosilowColeman Brosilow和和Martin Tong Martin Tong 于于19781978年提出来的，推理控制就是针对过程年提出来的，推理控制就是针对过程控制中存在的上述问题提出的一种改进的控制算法。控制中存在的上述问题提出的一种改进的控制算法。 1 1）推理控制的基本思想）推理控制的基本思想 建立被控对象的数学模型，根据对系统过程输出性能建立被控对象的数学模型，根据对系统过程输出性能的要求，通过数学推理导出控制系统所应具有的结构形式，的要求，通过数学推理导出控制系统所应具有的结构形式，再通过二次输出来推算出主要输出和不可测扰动。再通过二次输

11、出来推算出主要输出和不可测扰动。 与其他控制算法相比，推理控制算法具有明显的优势。与其他控制算法相比，推理控制算法具有明显的优势。 推理控制系统第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems10 2 2）推理控制系统的结构）推理控制系统的结构 对于图对于图(1)所示的过程采用推理控制，可以重新构建所示的过程采用推理控制，可以重新构建系统的结构图系统的结构图(图图2)，这时，由于主要输出，这时，由于主要输出Y(s)和扰动和扰动D(s)均不可测，所要设计的推理控制部分只有将过程的二次输均不可测，所要设计的推理控制部分只有将过程的二次输出出Ys(s

12、)作为输入，而其输出作为作为输入，而其输出作为M(s)作为过程的输入：作为过程的输入： 推理控制系统第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems11图2 推理控制系统框图推理控制系统框图 推理控制系统第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems12 为了克服不可测扰动的影响，待设计的推理控制器的为了克服不可测扰动的影响，待设计的推理控制器的传递函数应具有的形式：传递函数应具有的形式： (2-1) (2-2) 由由(2-1)、(2-2) ，得到：，得到： (2-3) 定义：定义： (2-4

13、) )()()(1sDsGsGpssAsYs)()()()()()(sYssGsGpsDsBsY )()()(1)()()()()(sDsGsGpssAsGsGpsDsBsY)()(1)()()(sGsGpssGsGpsEdef推理控制系统第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems13由由(2-3)、(2-4) ，得到：，得到： 若取若取 (2-5)则可完全消除不可测扰动对输出的影响。则可完全消除不可测扰动对输出的影响。 若满足式若满足式(2-5)，则由，则由(2-4)可得出：可得出： (2-6)由此可以得出如下由此可以得出如下结论结论：

14、 推理控制部分的传递函数推理控制部分的传递函数G(s)是由被控过程的动态是由被控过程的动态特性决定的，特性决定的，G(s)的实现只能通过建立过程各通道的数学的实现只能通过建立过程各通道的数学模型来完成。模型来完成。)()()()()(sDsEsAsBsY)()()(sAsBsE)()()()()(sGpSEsGpssEsG推理控制系统第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems14 将过程各通道数学模型上面加上将过程各通道数学模型上面加上“”，以区别于过，以区别于过程本身的数学模型。所以有：程本身的数学模型。所以有： (2-7) 式中：式中

15、： 推理控制部分的输出则为：推理控制部分的输出则为： 即：即： (2-8)()()()()(spGSEspsGsEsG)()()(sAsBsE)()()()()()()()(sYsspGSEspsGsEsYssGsM)()()()()(1)(sEsMspsGsYsspGsM推理控制系统第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems15 令，令， 则由式则由式(2-8)可以画出如图可以画出如图(3)中虚线左侧部分所示的推理控中虚线左侧部分所示的推理控制系统的框图。制系统的框图。 其中其中 称为推理控制器；称为推理控制器； 称为估计器。称为估计器

16、。 )(1)(spGsGI)(sGI)(sE推理控制系统第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems16图图2 2 推理控制系统框图推理控制系统框图第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems17 由图可见，推理控制由三个基本部分组成：由图可见，推理控制由三个基本部分组成： （1）信号分离部分）信号分离部分 当当 时，由图时，由图(3)可得可得 ： 实现了将不可测扰动实现了将不可测扰动D(s)对对Ys(s)的影响分离出来的目的。的影响分离出来的目的。（2）估计器）估计器 从图中可以看出，

17、当从图中可以看出，当 且当且当 估计器的输出为。估计器的输出为。 )(sGpsspsG)()()()()(sDsAsMspsGsYs)(sE )(sGpsspsG)()()()(sBsBsAsA，推理控制系统第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems1810.2.4 推理控制器推理控制器Gi(s)Gi(s)的设计的设计1）设计推理控制器）设计推理控制器 理论上，推理控制器传递函数为：理论上，推理控制器传递函数为：Gi(s)1/ p(s)， 但这种结构物理上无法实现，因此需要给但这种结构物理上无法实现，因此需要给 Gi(s) 串联一个串联一

18、个滤波器，当滤波器，当p(s)具有以下形式：具有以下形式： 从而可以抵消不可测扰动对主要输出的影响。从而可以抵消不可测扰动对主要输出的影响。若所有模型都准确，则在设定值扰动作用下的过程输出为若所有模型都准确，则在设定值扰动作用下的过程输出为 Y(s)=R(s), 在不可测扰动在不可测扰动D(s)的作用下，过程的主要输出为的作用下，过程的主要输出为 Y(s)=0。推理控制系统)(/ )()(spGsGsGFI第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems19 设设 的形式为：的形式为： 式中式中 包含了中全部右半包含了中全部右半s平面上的零点。

19、平面上的零点。 为使之可实现，且在模型准确时，使系统输出的稳态为使之可实现，且在模型准确时，使系统输出的稳态偏差为偏差为0，滤波器可设计为，滤波器可设计为 (2-9) 式中式中 为为 的一个稳态增益，引入它的目的是使的一个稳态增益，引入它的目的是使 时，时，n为的分母与分子为的分母与分子s多项式的阶次之差，多项式的阶次之差， 为滤波器的时间常数。为滤波器的时间常数。 推理控制系统sppesGsGspG)()()()(spG) 1()(1sTsGimipnFpspFsTGesGsG) 1)(0 ()()() 0 (pG)(sGp1) 0 ( FGFT第10章 ES的推理控制Inferential

20、 Control of Expert Systems20加入滤波器的实际推理控制器就成为：加入滤波器的实际推理控制器就成为： (2-10) 根据图根据图(3)，在实际的作用下，系统输出为：，在实际的作用下，系统输出为： (2-11)在所有模型都准确的条件下，在所有模型都准确的条件下， (2-12)由此可得出结论：由此可得出结论： 推理控制系统nFIsTspGpGsG) 1)() 0 (1)()()()()()()()()()()(sDsAsAsBsRsGsGsDsBsYIp)()()(1 )()()(sDsBsGsRsGsYFF第10章 ES的推理控制Inferential Control o

21、f Expert Systems212）结论）结论结论结论1. 在实际的推理控制系统中，即使所有的模型都准确，在实际的推理控制系统中，即使所有的模型都准确， 系统主要输出也不可能在设定值阶跃扰动作用下完全动系统主要输出也不可能在设定值阶跃扰动作用下完全动态跟踪，从而也不能实现不可测扰动作用的完全补偿；态跟踪，从而也不能实现不可测扰动作用的完全补偿；结论结论2. 输出的动态响应主要取决于滤波器的特性。输出的动态响应主要取决于滤波器的特性。 若滤波器的稳态增益为若滤波器的稳态增益为1( )：在设定值在设定值 阶跃扰动作用下，系统输出的稳态误差为：阶跃扰动作用下，系统输出的稳态误差为：在不可测阶跃扰

22、动在不可测阶跃扰动 作用下，输出的稳态偏差为：作用下，输出的稳态偏差为：说明系统仍具有很好的稳态性能。说明系统仍具有很好的稳态性能。 推理控制系统1)0(FG)(sR0)0()0(YR)(sD0)0(Y第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems22 如前所述，输出的动态响应主要取决于滤波器的特性。如前所述，输出的动态响应主要取决于滤波器的特性。由式由式(2-9)可知，可知， 和和 是由控制通道的模型是由控制通道的模型 决定的，只有滤波器时间常数决定的，只有滤波器时间常数 可以人为地选择。所以，可以人为地选择。所以，在设计滤波器时，要正确选

23、择在设计滤波器时，要正确选择 。 由（由（2-12）可得出，）可得出， 的大小会影响系统输出响应的的大小会影响系统输出响应的快慢。快慢。 大，则输出响应缓慢，反之，则输出响应加快。大，则输出响应缓慢，反之，则输出响应加快。 因而，可以根据对输出响应的要求选择因而，可以根据对输出响应的要求选择 。一般，。一般， 会选会选的小一些，但如果的小一些，但如果 太小，系统容易在高频扰动作用下出太小，系统容易在高频扰动作用下出现振荡；现振荡； 的选取还应考虑模型的准确性。当模型比较准的选取还应考虑模型的准确性。当模型比较准确时，确时， 可选得小些，而若模型精度比较差，可选得小些，而若模型精度比较差， 就应

24、选得就应选得大些。大些。 推理控制系统)(sGpse)(sGpFTFTFTFTFTFTFTFTFTFT第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems23 10.2.5 静态静态推理控制推理控制 在工业生产实际中，当过程的主要输出和扰动不能在在工业生产实际中，当过程的主要输出和扰动不能在线测量而只能定期地进行实验室分析时，得出线测量而只能定期地进行实验室分析时，得出 、 和和 几乎是太不可能的。因此，也不易实现动态推理。在几乎是太不可能的。因此，也不易实现动态推理。在这种情况下可以采用静态推理控制。这种情况下可以采用静态推理控制。 静态推理控制

25、系统仍由三个部分组成，但推理控制器静态推理控制系统仍由三个部分组成，但推理控制器和估计器以稳态模型的形式出现，即：和估计器以稳态模型的形式出现，即： 若不可测扰动变化范围比较小时，可以用若不可测扰动变化范围比较小时，可以用 和用和用 工作点附近的稳态增益代替实际值。工作点附近的稳态增益代替实际值。推理控制系统)(sGp)(sA)(sB)0(1)(pIGsG)0(/ )0()(ABsE)(sE)(sGI第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems24在稳态下，系统主要输出和二次输出为：在稳态下，系统主要输出和二次输出为：式中式中 为二次输出实

26、际值，为二次输出实际值， 为主要输出的实际值，为主要输出的实际值， 为过程的不可测扰动实际值；为过程的不可测扰动实际值； ， ， 为为控制通道、扰动通道稳态增益，它们可由实验、机理分控制通道、扰动通道稳态增益，它们可由实验、机理分析得到。析得到。 推理控制系统)()0()()0()(sDBsMGsYp)()0()()0()(sDAsMGsYpss)(sYs)(sY)(sD)0(Gp)0(A)0(B第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems25 当控制通道和扰动通道稳态模型准确时，即当控制通道和扰动通道稳态模型准确时，即 在稳态情况下，系统

27、的主要输出能跟踪设定值的变化，在稳态情况下，系统的主要输出能跟踪设定值的变化，并能消除不可测扰动的影响。并能消除不可测扰动的影响。 推理控制系统)0()0()0()0()0()0()0()0(BBAAGGGGpspspp第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems2610.2.6 推理控制算法解决被控对象大滞后问题推理控制算法解决被控对象大滞后问题 在实际的工业控制过程中，被控对象往往存在不同程在实际的工业控制过程中，被控对象往往存在不同程度的纯迟延，从而使被控量不能及时反映系统所受的扰动度的纯迟延，从而使被控量不能及时反映系统所受的扰动。

28、即使测量信号到达了调节器，调节器接受调节信号后立。即使测量信号到达了调节器，调节器接受调节信号后立即动作，那也需要经过纯滞后时间即动作，那也需要经过纯滞后时间 以后才使被控量受到以后才使被控量受到控制。可见，这样的控制系统必然会使控制过程产生比较控制。可见，这样的控制系统必然会使控制过程产生比较明显的超调量，系统达到稳定需要较长调节时间，其控制明显的超调量，系统达到稳定需要较长调节时间，其控制难度随着纯滞后难度随着纯滞后 与整个动态过程的比例的增加而增加。与整个动态过程的比例的增加而增加。 图图(4)为典型大滞后被控对象的阶跃响应过程。为典型大滞后被控对象的阶跃响应过程。推理控制系统第10章

29、ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems27 图图(4) (4) 典型大滞后对象的阶跃时间响应曲线典型大滞后对象的阶跃时间响应曲线 第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems28对象时间常数滞后时间50T当系统滞后时间为当系统滞后时间为 ， 时，时， 推理控制系统传统的传统的PIDPID会产生很大的超调量，因此不能采用会产生很大的超调量，因此不能采用PID 控制控制，需要采用其他控制手段。例如补偿控制，预测控制、自适需要采用其他控制手段。例如补偿控制，预测控制、自适应控制、应控制、史密斯预估

30、补偿控制史密斯预估补偿控制等。其中，史密斯预估补偿等。其中，史密斯预估补偿方法是广泛应用的有效方案之一。其特点是：预先估计出方法是广泛应用的有效方案之一。其特点是：预先估计出被控过程在基本扰动作用下的动态特性，然后由预估器进被控过程在基本扰动作用下的动态特性，然后由预估器进行补偿，使被延迟行补偿，使被延迟的被控制量超前反应到调节器，使其提的被控制量超前反应到调节器，使其提前产生控制动作，从而明显地减少系统的超调量，加快调前产生控制动作，从而明显地减少系统的超调量，加快调节过程。其原理如图节过程。其原理如图(5)。第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert

31、 Systems29图图(5) 史密斯预估器补偿控制原理史密斯预估器补偿控制原理推理控制系统第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems30 推理控制系统)(sGp)1)(sesGp（ sD sD sD图图(5)中，中， 是被控对象除去纯延时后的传递函数；是被控对象除去纯延时后的传递函数；是史密斯预估器的传递函数，是史密斯预估器的传递函数，它和调节器它和调节器 一起构成纯滞一起构成纯滞后补偿器后补偿器由图由图(5)可以得到可以得到 的传递函数：的传递函数： )1)(1sesGpsDsDsD系统的闭环传递函数为：系统的闭环传递函数为： ses

32、GpsDsGpsDsD)(1第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems31 推理控制系统se ty由上式看出，已经消除了纯滞后对系统控制品质的影响由上式看出，已经消除了纯滞后对系统控制品质的影响（闭环传递函数分母已经不包含之后因子（闭环传递函数分母已经不包含之后因子 ）。但是，）。但是，分子上的分子上的 说明被调量说明被调量 的响应还是比设定迟延的响应还是比设定迟延 时时间间。 而在输出可测而扰动不可测的情况下，推理控制系统而在输出可测而扰动不可测的情况下，推理控制系统可以简化为图可以简化为图(6)所示的结构。此时，由于输出可测，因此所示

33、的结构。此时，由于输出可测，因此不需要估计器和二次输出，仅需要一个估计模型，如图不需要估计器和二次输出，仅需要一个估计模型，如图(6)所示。所示。se第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems32 推理控制系统图图(6) 输出可测条件下的推理控制输出可测条件下的推理控制第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems33 推理控制系统从图从图(6)中可以得出，系统的输出：中可以得出，系统的输出： )()()(1)()(1)()()()(1)()(1)()(1)()(sDspGsGsGpsG

34、sBsRspGsGsGpsGspGsGsGpsGsYIIIIII)()()(sGsGsGpFI)(sGF)(sGp)(sGp)()()(1 )()()(sDsBsGsRsGsYFF控制器控制器，滤波器，滤波器的设计同上。当的设计同上。当时，时，即在模型准确的情况下，输出响应与输出不可测情况下的即在模型准确的情况下，输出响应与输出不可测情况下的推理控制一样。推理控制一样。 对于具有很大时间迟延的过程，上面介绍的推理控制对于具有很大时间迟延的过程，上面介绍的推理控制也是一种很有效的控制算法。从这个角度看，可以把它看也是一种很有效的控制算法。从这个角度看，可以把它看成是史密斯补偿控制的一种替代控制方

35、法。成是史密斯补偿控制的一种替代控制方法。第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems34 推理控制系统 为便于比较，将史密斯补偿控制机构框图重新安排，为便于比较，将史密斯补偿控制机构框图重新安排，如图如图(7)所示：所示：图图(7) 重新安排的史密斯补偿控制器重新安排的史密斯补偿控制器第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems35推理控制系统)(spG图中，在过程模型图中，在过程模型 中，中， 与常规比例积分微分与常规比例积分微分（PID）调节器）调节器 构成一个等效控制器构成一个等

36、效控制器 。当的增益。当的增益趋于趋于 无穷大时，等效控制器无穷大时，等效控制器 。 图图7所示的推理控制系统中，推理控制器设计为所示的推理控制系统中，推理控制器设计为sespG)()(sGc)(sGEQ)(sGc)()(1EQsGsGpnFpIsTsGsG1)()(10FT)()(1sGsGpI0FT当滤波器时间常数当滤波器时间常数 ， 。这就是说，当。这就是说，当 时，时，推理控制系统与调节器增益为无穷大时的史密斯补偿控制系推理控制系统与调节器增益为无穷大时的史密斯补偿控制系统完全等效。统完全等效。但是，当过程为高阶对象时，对史密斯补偿控但是，当过程为高阶对象时，对史密斯补偿控制来说，系统

37、的增益制来说，系统的增益 不允许取得很大。而对推理控制来不允许取得很大。而对推理控制来说，说， 也不允许取为也不允许取为0。 )(sGcFT第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems36 推理控制系统 因而，因而， 只能作为一个理想的控制器存在，只能作为一个理想的控制器存在，实际的实际的 和和 的性能均不可能超越它。但在实际使的性能均不可能超越它。但在实际使用时，用时， 和和 具有大致相同的性能。具有大致相同的性能。 同时，对于负特性，甚至包含不稳定环节的被控过程，同时，对于负特性，甚至包含不稳定环节的被控过程，图图(6)所示的系统也是有

38、效的，而且它同时兼有传统所示的系统也是有效的，而且它同时兼有传统PID控控制系统、前馈反馈控制系统和史密斯补偿控制系统的功制系统、前馈反馈控制系统和史密斯补偿控制系统的功能，并且可调参数少，系统的实用价值很大。能，并且可调参数少，系统的实用价值很大。 )()(1sGsGpI)(sGI)(EQsG)(sGI)(EQsG第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems37 10.310.3自适应推理控制系统自适应推理控制系统 由于实际工业生产过程的复杂性和干扰的多样性，往由于实际工业生产过程的复杂性和干扰的多样性，往往无法建立其精确的二次输出变量和

39、主要输出变量模型往无法建立其精确的二次输出变量和主要输出变量模型,特别是在工业过程内部存在参数漂移时，仅仅利用推理控特别是在工业过程内部存在参数漂移时，仅仅利用推理控制很难得到预期的效果，这时就必须采用自适应控制的原制很难得到预期的效果，这时就必须采用自适应控制的原理对推理估计器模型和推理控制器模型的参数进行实时调理对推理估计器模型和推理控制器模型的参数进行实时调整，这就是整，这就是自适应推理控制自适应推理控制。 图图(8)为自适应推理控制系统结构图，它是在推理控为自适应推理控制系统结构图，它是在推理控制系统的基础上增加了自适应机构。制系统的基础上增加了自适应机构。第10章 ES的推理控制In

40、ferential Control of Expert Systems38自适应推理控制系统 图图(8) 自适应推理控制系统结构图自适应推理控制系统结构图第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems39 自适应推理控制系统 自适应机构根据二次输出、控制量输入和主要变量输自适应机构根据二次输出、控制量输入和主要变量输出出(由于不能实时测量，相当有延时由于不能实时测量，相当有延时)，实时或定期或当推理，实时或定期或当推理控制精度不符合要求时重新估计推理估计器的参数和修正控制精度不符合要求时重新估计推理估计器的参数和修正控制器的参数，使得对主要输

41、出变量的控制满足要求，采控制器的参数，使得对主要输出变量的控制满足要求，采用不同的建模方法和参数估计方法就组成不同的自适应方用不同的建模方法和参数估计方法就组成不同的自适应方法。法。 下面给出自适应推理控制系统应用于造纸产业的实例。下面给出自适应推理控制系统应用于造纸产业的实例。 造纸产业是仅次于电子信息和汽车产业的世界第三大造纸产业是仅次于电子信息和汽车产业的世界第三大产业。制浆是造纸行业的重要组成部分，制浆的蒸煮过程产业。制浆是造纸行业的重要组成部分，制浆的蒸煮过程是一个十分复杂的物理化学过程，是制浆过程的重要环节。是一个十分复杂的物理化学过程，是制浆过程的重要环节。 )(sGI)(EQs

42、G第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems40 自适应推理控制系统 我国造纸企业的蒸煮过程的自动控制水平相当低，普我国造纸企业的蒸煮过程的自动控制水平相当低，普遍存在蒸煮粗浆质量波动大、粗浆得率低、能耗和化学品遍存在蒸煮粗浆质量波动大、粗浆得率低、能耗和化学品消耗高等问题。采用先进的控制方法和手段对现有设备进消耗高等问题。采用先进的控制方法和手段对现有设备进行控制是投资少、见效快、提高产品质量、减少污染和生行控制是投资少、见效快、提高产品质量、减少污染和生产事故、减轻工人劳动强度的有效方法。产事故、减轻工人劳动强度的有效方法。 纸浆的纸

43、浆的Kappa 值是纸浆的重要质量指标，蒸煮终点的值是纸浆的重要质量指标，蒸煮终点的Kappa 值直接影响后续洗涤、筛选、漂白工序以及成纸的值直接影响后续洗涤、筛选、漂白工序以及成纸的质量。但是，至今尚未开发出可靠的蒸煮过程在线测量纸质量。但是，至今尚未开发出可靠的蒸煮过程在线测量纸浆浆Kappa 值的仪表，纸浆值的仪表，纸浆Kappa 值的测量只能在蒸煮过程值的测量只能在蒸煮过程完成后取样，而后才能在化验室进行相应测量，一般需要完成后取样，而后才能在化验室进行相应测量，一般需要大约半个多小时。大约半个多小时。 第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert

44、 Systems41 自适应推理控制系统 因此，寻找与纸浆因此，寻找与纸浆Kappa 值密切相关的量为辅助变量，值密切相关的量为辅助变量，通过对辅助变量的测量和控制来实现对通过对辅助变量的测量和控制来实现对Kappa 值的测量和值的测量和控制，同时考虑实际蒸煮过程的时变性、干扰的复杂性和控制，同时考虑实际蒸煮过程的时变性、干扰的复杂性和建模的误差，采用自适应的方法更新模型参数，即采用自建模的误差，采用自适应的方法更新模型参数，即采用自适应推理控制方法将是提高适应推理控制方法将是提高Kappa 值控制精度的有效方法。值控制精度的有效方法。在进行自适应推理控制系统设计时，首先要选取辅助变量，在进行

45、自适应推理控制系统设计时，首先要选取辅助变量，建立推理估计模型。其次，由于工业现场干扰较大，人工建立推理估计模型。其次，由于工业现场干扰较大，人工测量有误差，经数据预处理后也无法消除所有的误差。因测量有误差，经数据预处理后也无法消除所有的误差。因此，估计模型的参数自适应方法可采用有限记忆此，估计模型的参数自适应方法可采用有限记忆(具有移动具有移动窗窗) 的最小二乘法算法。该算法简单，鲁棒性好。这样就可的最小二乘法算法。该算法简单，鲁棒性好。这样就可以得出制浆蒸煮过程的自适应推理控制结构。以得出制浆蒸煮过程的自适应推理控制结构。第10章 ES的推理控制Inferential Control of

46、 Expert Systems42 本例介绍一种推理控制的交流稳频稳压电源的结构及本例介绍一种推理控制的交流稳频稳压电源的结构及工作原理，并对该电源的抗干扰性能进行分析。通过分析工作原理，并对该电源的抗干扰性能进行分析。通过分析可以看出：由于系统采用了推理控制技术，使得该电源的可以看出：由于系统采用了推理控制技术，使得该电源的抗干扰性能明显优于一般稳频稳压电源。抗干扰性能明显优于一般稳频稳压电源。 1）推理控制的）推理控制的CVCF电源的硬件构成电源的硬件构成 推理控制的推理控制的CVCF电源系统构成如图电源系统构成如图1所示，控制电所示，控制电路如图路如图2所示。所示。 （1）系统采用）系统

47、采用 Intel8031 作为作为 CPU，外扩，外扩8KEPROM2764，用于存放监控程序、推理控制、键控及，用于存放监控程序、推理控制、键控及显示程序。显示程序。 10.4 10.4 推理控制的推理控制的CVCFCVCF交流电源交流电源第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems43推理控制的推理控制的CVCFCVCF交流电源交流电源 第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems44第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems4

48、5 （2 2）扩展一片）扩展一片DAC0832DAC0832，以便输出阶梯正弦波，其片选，以便输出阶梯正弦波，其片选信号信号CSCS接接74LS13874LS138的的Y0Y0口，选通地址为口，选通地址为1FFFH1FFFH。 DAC0832DAC0832按单缓冲工作方式，使输入寄存器处于锁存状按单缓冲工作方式，使输入寄存器处于锁存状态，态，ILEILE接接5V5V，WR1WR1接接CPUCPU的写信号的写信号WRWR，DACDAC寄存器处于不寄存器处于不锁存状态，所以将锁存状态，所以将WR2WR2和和XFERXFER直接接地，直接接地，DAC0832DAC0832接成单极接成单极性输出，参考

49、电压为性输出，参考电压为5V5V，输出，输出0 05V5V的电压。的电压。 （3 3）扩展一片）扩展一片ADC0809ADC0809，实现对整流后的直流电压进行，实现对整流后的直流电压进行采样的功能，采样的功能，80318031的的WRWR和和74LS13874LS138的的Y1Y1口经一个或非门接口经一个或非门接ADC0809ADC0809的的STARSTAR和和ALEALE端，来控制端，来控制ADC0809ADC0809的启动和地址锁存。的启动和地址锁存。 （4 4）80318031的的RDRD和和74LS13874LS138的的1 1口经或非门接口经或非门接ADC0809ADC0809的

50、的OEOE端，控制信号的输出。端，控制信号的输出。 推理控制的推理控制的CVCFCVCF交流电源交流电源 第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems46 ADC0809 ADC0809的的CLKCLK由由80318031的的ALEALE上信号经过上信号经过2 2分频以后提供，分频以后提供，EOCEOC经反向器作经反向器作80318031的的INT1INT1中断请求输入线，要求中断请求输入线，要求CPUCPU从从P0P0上读取上读取A/DA/D转换后的数字量。转换后的数字量。ADC0809ADC0809的的IN0IN0和采样保持器和采样保持

51、器LF198LF198的输出端相连，故的输出端相连，故IN0IN0上输入的上输入的0 015V15V范围的模拟电范围的模拟电压经压经A/DA/D转换后，可由转换后，可由80318031通过程序从通过程序从P0P0口输入到内部口输入到内部RAMRAM单元。单元。 （5 5）扩展一片）扩展一片82798279，作为扩展的，作为扩展的I/OI/O口，接口，接8 8个个LEDLED，以，以完成显示目标频率、目标电压和反馈电压的功能。完成显示目标频率、目标电压和反馈电压的功能。8 8个个LEDLED接成共阳极。接成共阳极。82798279和和80318031的连接无特殊要求，除数据线的连接无特殊要求，除

52、数据线P0P0口、口、WRWR、RDRD可直接连接外，可直接连接外，CSCS由由74LS13874LS138的的Y2Y2口进行片选。口进行片选。 推理控制的推理控制的CVCFCVCF交流电源交流电源 第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems47 时钟由时钟由ALEALE提供，提供，A0A0接接80318031的的P2.0P2.0口，中断请求口，中断请求IRQIRQ经经反向器与反向器与80318031的的INT0INT0相连。相连。 82798279同时扩展键盘的接口，实现运行、停止、清零、同时扩展键盘的接口，实现运行、停止、清零、复位功

53、能键的控制。规定扫描线（复位功能键的控制。规定扫描线（SL0SL0SL1SL1）为列线，在）为列线，在此以连接此以连接74LS13874LS138的输出的输出T0T0和和T1T1为列线，实现为列线，实现2 28 8的键盘的键盘功能。回复线（功能。回复线（RL0RL0RL7RL7）为行线。）为行线。 由由80318031的的P2.5P2.5、P2.6P2.6、P2.7P2.7口经口经74LS13874LS138进行地址译进行地址译码，各扩展芯片的地址由此确定。码，各扩展芯片的地址由此确定。 推理控制的推理控制的CVCFCVCF交流电源交流电源 第10章 ES的推理控制Inferential Co

54、ntrol of Expert Systems48 2 2）系统软件设计）系统软件设计 应用软件分为四大部分：振荡部分、采样部分、调应用软件分为四大部分：振荡部分、采样部分、调幅部分、通信部分。幅部分、通信部分。 为了防止严重干扰时为了防止严重干扰时“飞飞”程序，在每个程序之间程序，在每个程序之间安放软陷阱，即在各个子程序之间放入几条安放软陷阱，即在各个子程序之间放入几条NOPNOP指令。指令。这样，发现异常时可强制程序从头执行。这样，发现异常时可强制程序从头执行。 在软件设计中采用模块化子程序结构，其主程序和在软件设计中采用模块化子程序结构，其主程序和推理控制子程序的流程结构见图推理控制子程

55、序的流程结构见图3 3。推理控制的推理控制的CVCFCVCF交流电源交流电源 第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems49第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems50 （1）振荡器子程序）振荡器子程序 该程序模块要求得到一个频率可调的高频率稳定度的该程序模块要求得到一个频率可调的高频率稳定度的阶梯正弦波。要求频率可调范围为阶梯正弦波。要求频率可调范围为45Hz65Hz，精度要，精度要求为求为0.1Hz。 在振荡程序中，采用在振荡程序中，采用8031的的T1定时方法，因为定时方法，

56、因为T1工作工作方式不占用方式不占用CPU时间。在整个单片机运行期间，振荡部分时间。在整个单片机运行期间，振荡部分的定时是自始至终的，故采用的定时是自始至终的，故采用T1定时方式定时方式2（可以自动重（可以自动重新装入的新装入的8位定时器位定时器/计数器）进行定时，在不占用计数器）进行定时，在不占用CPU的的时间里，时间里，CPU可以处理其它程序和任务。可以处理其它程序和任务。 推理控制的推理控制的CVCFCVCF交流电源交流电源 第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems51 将一个正弦波周期分为正半周和负半周两部分，半波将一个正弦波周

57、期分为正半周和负半周两部分，半波时间为时间为1/（2f），将这半波时间分成），将这半波时间分成90份，则定时时间为份，则定时时间为t=1/（180f）,代入代入T=28tfo/12的的T1初值计算公式初值计算公式(式中式中fo为晶振频率为晶振频率)，得出定时时间常数，可将，得出定时时间常数，可将45Hz65Hz的的定时时间都算出来并列成表格（如表定时时间都算出来并列成表格（如表1所示），设置一个查所示），设置一个查表程序，在输出不同频率时从表上调取不同的表程序，在输出不同频率时从表上调取不同的T值。值。 推理控制的推理控制的CVCFCVCF交流电源交流电源 第10章 ES的推理控制Infere

58、ntial Control of Expert Systems52频率时间常数频率时间常数45HzT=C2H56HzT=CEH46HzT=C3H57HzT=CDH47HzT=C5H58HzT=D0H48HzT=C6H59HzT=D0H49HzT=C7H60HzT=D1H50HzT=C8H61HzT=D2H51HzT=C9H62HzT=D3H52HzT=CAH63HzT=D3H53HzT=CBH64HzT=D4H54HzT=CCH65HzT=D5H55HzT=CDh表表1 1 频率与频率与定时时间常数表定时时间常数表第10章 ES的推理控制Inferential Control of Exper

59、t Systems53 DAC0832 DAC0832输出正弦波，正弦波的产生也是通过查表得输出正弦波，正弦波的产生也是通过查表得到，将半波分成到，将半波分成9090份，即每份，即每2 2度为一个阶梯，用度为一个阶梯，用MATLABMATLAB编编一小程序将所需数列成表格，每隔时间一小程序将所需数列成表格，每隔时间t t查表一次，当查查表一次，当查表表9090次后，通过次后，通过DAC0832DAC0832的输出可得出一个半波，再通过的输出可得出一个半波，再通过反向器叠加后得一正弦波。各阶梯值对应的角度、输出电反向器叠加后得一正弦波。各阶梯值对应的角度、输出电压及输入数字量如表压及输入数字量如

60、表2 2所示。所示。推理控制的推理控制的CVCFCVCF交流电源交流电源 第10章 ES的推理控制Inferential Control of Expert Systems54UDECHEXUDECHEX00.078000H461.797925CH20.078404H481.856955FH40.176909H501.9149862H60.254130Dh521.97310165H80.3521812H542.03110468H100.4302216H562.0701066AH120.527271Bh582.1291096DH140.606311FH602.1681116FH160.68435