简介

自适应控制技术

自适应控制技术

自适应控制系统最早在航空方面首先得到了应用。这是由于飞机的动力学特性决定于许多的环境因素和结构参数，例如随着飞机飞行的高度和速度的不同，飞机的动力学参数可能在相当大的范围内变化，要使飞机在整个飞行高度与速度范围内保证控制的高质量。依靠经典的控制理论是难以解决的，为了解决上述自动控制所面临的问题，在五十年代末期，美国麻省理工学院的Whitaker教授首先提出并设计了模型参考自适应控制的方案，经模拟研究和飞行实验表明，在飞机正常速度下，该模型参考自适应控制系统具有满意的性能。但是限于当时计算机的技术和控制理论的发展水平，这一自适应控制技术的成果未能得到迅速的发展和推广。随着计算机技术和控制理论发展水平的不断提高，特别使由于航空航天事业的迅速发展的需要，目前，自适应控制在航空航天方面亦取得了相应的发展和应用。 随着计算机技术的发展和理论的不断完善，自适应控制技术的推广应用将不断发展，这种控制技术不但用于各工业部门，例如在航海方面，在化工过程、钢铁和冶金工业方面，在电力拖动方面，近年来还推广应用于非工业部门，例如生物医学部门。但就现有的关于应用方面的报导来看，自适应控制技术主要用于过程较慢的系统和特性变化速度不很快的对象。但可以相信，随着理论的不断完善和计算机技术的迅速提高，自适应控制的应用将会愈来愈广泛，而收敛则愈来愈大。

自适应控制技术

自适应控制技术

在日常生活中，所谓自适应是指生物能改变自己的习性以适应新的环境的一种特征。因此，直观地讲，自适应控制器应当是这样一种控制器，它能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。 自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。 任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时表现在系统的外部。从系统内部来讲，描述被控对象的数学模型的结构和参数，设计者事先并不一定能准确知道。作为外部环境对系统的影响，可以等效地用许多扰动来表示。这些扰动通常是不可预测的。此外，还有一些测量时产生的不确定因素进入系统。面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应控制所要研究解决的问题。 自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。随着生产过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。既然模型在不断的改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改进。在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辩识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工作状态。再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辩识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应。 常规的反馈控制系统对于系统内部特性的变化和外部扰动的影响都具有一定的抑制能力， 但是由于控制器参数是固定的，所以当系统内部特性变化或者外部扰动的变化幅度很大时，系统的性能常常会大幅度下降，甚至是不稳定。所以对那些对象特性或扰动特性变化范围很大，同时又要求经常保持高性能指标的一类系统，采取自适应控制是合适的。但是同时也应当指出，自适应控制比常规反馈控制要复杂的多，成本也高的多，因此只是在用常规反馈达不到所期望的性能时，才会考虑采用。

应用

在CNC机床上应用

自适应控制技术应用

自适应控制技术应用

采用ACM技术优化了金属切削CNC加工过程，提高了加工效率。轮廓铣削省时约38%；铣槽省时约34%；3D铣面省时约37%；钻孔省时约28%。典型的实际应用技术优化了金属切削加工中的特色。 如何提高金属切削数控机床的加工效率，充分利用机床主轴最大转速、最大负载和轴最大进给速率,加工材质、切削量多变的工件,同时又能自动保护机床和主轴系统,保护较昂贵的进口刀具,这已经越来越受到终端用户和机床制造厂家关注的问题之一。以色列OMAT公司的ACM自适应控制监控系统正是为了适应这种要求，从控制角度为解决该问题提出的理想方案。 OMAT公司ACM作为西门子840D数控系统的重要选件，可以提供多种版本形式，外装式ACM装置、纯软件集成式ACM、PC卡软硬件混合式ACM和单元软硬件混合式ACM。其中，第一种软硬件均做在ACM装置中，外部接线多，但不受数控系统和主轴驱动器的限制，主要针对老系统和不能安装集成ACM系统的机床用。第2、第3种是软件为主的ACM系统，极少或无外部接线，但是受非出口型数控系统限制，要求系统软件版本高，目前在出口到国内的840D系统中难以实现。因此我们在与OMAT公司合作中选用了第4种版本的ACM系统。 ·ACM控制单元：数字量输出至840D系统的NCU，模拟量输入信号来自OMAT功率传感器模块。ACM测量采集的主轴功率信号通过SINUMERIK RS232 串口与CNC的PC部分通讯。 ·ACM实时控制软件：集成在ACM控制单元的微处理器中。 ·ACM用户画面接口：Windows用户图形界面用于配置和监控自适应控制过程。 ACM是一个实时自适应控制系统，实时采样机床主轴负载变化，据此自动调节机床进给率至最佳值。并且时实监视记录主轴切削负载、进给率变化，刀具磨损量等加工参数，并输出图形、数据至Windows用户图形界面。这些数据还可以存储在硬盘供以后查阅存档。 安装与调试 1．硬件安装 原理图见图2所示，主轴功率经OMAT LA55-P型电流互感器测量，功率转换器放大后，由9芯插头输入至ACM控制单元；进给修调数字量信号输入至PLC输入模块；ACM控制单元与PCU50（用户操作接口）由RS232串口通信连接。此外还有以下控制信号：ACM激活后给PLC的输入信号；ACM出现故障进给保持信号；以及PLC报警使ACM产生复位的ACM RESET信号。 2．PLC软件编程 （1）下载OMAT标准PLC控制程序FB30并在OB1中调用： CALL FB30 “OMAT_CYCLIC FB” ACMFEEDOUT := IB40 //来自ACM的进给修调信号 ACMFEEDOUT := I40.6 //来自ACM的报警进给保持信号 ACMFEEDOUT := I40.7 //来自ACM的激活信号 ACMFEEDOUT := T10 //来自ACM的激活延时信号 （2）局部修改西门子标准MCP（机床控制面板）管理子程序FC19： U DB50.DBX11.0 "OMAT_CYCLIC FB_IDB". ACMALARMOUT //PLC报警信号 R≠#MST_Inp23 [ 0 ] "NC_STOP" //使NC停止 （3）编程NC报警文本程序（程序略） （4）修改机床参数：MD12030 OVER_FACTOR_FEEDRATE=1.3 MD12030 OVER_FACTOR_FEEDRATE=1.4 MD12030 OVER_FACTOR_FEEDRATE=1.5

自适应控制技术应用

自适应控制技术应用

3．ACM用户图形界面PC软件安装 （1）在F:>\OEM下创建OPMS新目录 （2）将OMAT软盘上的下列文件拷入新建目录F:>\OEM\OPMS ·OPMS.MDI ·OPMS.ZUS （3）将文件025_GR.DLL和025_UK.DLL拷贝到F:>\OEM\LANGUAGE； 打开文件RE_GR.INI和RE_UK.INI插入语句：HSKT=“OMATIVE ACM” （4）打开F:>\OEM下的文件REGIE.INI插入语句： TASK=NAME：=OPMS，TimeOut=6000 （5）拷贝OPMS.INI到F:>\OEM；拷贝OPMS.EXE到F:>\HMI_ADV （6）安装结束后重新启动西门子HMI。 运行OMAT ACM系统 ACM PC软件安装完毕，在西门子840D系统主菜单增加名为OMAT ACM的软键，按此键进入ACM主画面，主画面显示下列信息。ACM运行方式，3种方式选其中之一。状态监视，过载、运行、主轴、在线/离线等状态。主轴功率和进给率是实时变化曲线及数值。当前运行值，参考编号、零件编号、开始加工时间、运行耗时、切削工件耗时、节约用时（%）、最小进给率（%）、最大进给率（%）、当前修调值（%）。 ACM工作模式： ACM启动/停止方式：通过NC程序H功能自动或者手动启动/停止运行。 切削参数输入方式：切削参数如，刀具类型、齿数、工件材料、切削量（深度）和速度可以手动（Preset）或者在学习（Learn）方式自动记录切削参数，然后在学习后（by learn）方式按照记录参数，监控机床运行。 ACM运行方式： 进给控制方式：ACM连续测量主轴负载并且实时自动调节进给率，出现过载则发出报警停止机床。 监控方式：ACM连续测量主轴负载但不调节进给率，有两种监控模式供选择—最大负载监控或负载允差监控。 事件记录方式：在此方式ACM只是将动态切削数据存储在系统存储器中，不做输出处理。 OMAT ACM的特色和效果 传统金属加工刀具断裂不可检测和控制、刀具磨损靠手动监视、效率低，而OMAT ACM系统的自适应控制技术对传统加工技术提出了挑战，优化了金属切削CNC加工过程，提高了加工效率。典型应用统计：轮廓铣削省时约38%；铣槽省时约34%；3D铣面省时约37%；钻孔省时约28%。并且具有下列保护功能：铣刀断裂保护（报警并停机防止工件及后续刀具损坏）；深孔钻刀具断裂保护（报警并停机）；刀具磨损监控（数字显示磨损量）；主轴过载保护（报警或停机）。 正是由于OMAT ACM独特的自适应控制技术，效果显著的实用性，国外许多著名公司如Siemens AG、 Turbinenwerke、 Chevron Aerospace、Boeing、General Electric、Mitsubishi Motors, ToshibaGE 和Toyota Motors等公司都已大量使用，取得了明显的效果。 交大昆机科技股份有限公司与以色列OMAT公司合作，成功地将单元软硬件混合式ACM系统集成安装于产品机床THM4680卧式加工中心的840D系统上，还做了大面工件切削对比实验，切削效率提高约33%。ACM的机床负载量化控制以及对刀具、主轴的安全保护功能，使得操作者放心最大限度的满负荷使用机床，而又不至于对机床造成伤害。这尤其适用于面切削、加工铸钢等硬质材料、模具加工业、深孔钻削、使用高价进口刀具等用户。国内航空航天、纺织、家电等行业的知名企业也率先正在陆续使用该产品。相信随着数控加工技术、高速切削等先进金属加工理念在国内企业的普及应用，自适应加工技术一定会得到广泛应用。

在工业污水处理系统中应用

自适应控制技术应用

自适应控制技术应用

采用无模型自适应控制技术对乙烯装置污水处理系统进行PH值控制，可以控制污水排放质量，满足环保要求，并达到稳定生产，节能降耗的目的。实践证明该控制技术对PH+大滞后系统有很强的控制能力。 近年来，随着社会的不断进步，国际社会越来越深刻的认识到，环境保护对于人类可持续性发展的重要性。我们国家也把环境保护作为一项长期的国策，不断加大环保治理的力度，提高环保水平，同时出台了一系列有关的法律法规。这就要求我们要不断采用新工艺和新技术对工业三废进行有效的处理，以达到日益严格的环保指标。 1、无模型自适应控制方案 由PH+大滞后的特性叠加在该系统上，使控制算法相互矛盾，使问题的解决更加困难，简单的采用传统的控制手段是无法解决问题。为保证调节效果，方案使用了无模型自适应（MFA）控制技术。 1）简介无模型自适应控制技术 MFA控制是自动控制领域中一种全新的理论和技术，它为解决工业过程中的复杂回路控制问题提出了新颖而有效的理念和方法。MFA控制技术是与PID和自整定PID、模糊控制、神经网络、专家系统控制等流行方式是完全不同的。 MFA技术的关键可以归纳为：⑴所有过程的信息都已包含在输入输出的信号中，只是以往采用传统的控制方法缺乏有效提取这些信息并加以利用的手段；⑵通过无事先训练的快速强制学习等方式，使MFA控制器能够准确把握过程对象当前的特征，产生更合理的对策，从而获得理想的调节控制结果。 MFA控制技术具有稳定性证明，对于开环稳定的线性与非线性过程对象的适用性在理论上得到确认。 MFA控制技术主要的应用范围：非线形（包括PH）、大滞后、强耦合和时变采用传统控制手段难以控制的过程。 MFA控制技术对于PH+大滞后过程有其独特的技术特点： ―仅需大致估计滴定曲线的折点和滞后时间，MFA就可以有效地控制 －有效控制流入速率和PH的变化，滴定曲线移动，及其他不确定性 －自适应并补偿大的增益改变 在一般的应用场合建立MFA(PH)模块控制器后，利用其默认值就可以得到比较稳定的投运效果。 简单的PH 模块可以抵抗τ/TT>2 时可将MFA的Time-Varying 模块设为Enable，然后估计出最大和最小的滞后时间，填入模块参数表就可以得到满意的控制效果。 2）控制目标 该控制将达到以下控制目标： ⑴将污水排放值控制在6.5～7.5 之间。使污水排放控制在合格的范围内。防止污水排放超标，稳定生产。 ⑵减少控制系统的超调量，减少中和酸的注入量，达到节能降耗的目的。 ⑶增强系统的抗干扰能力，使系统即使在大的干扰出现的时候，仍然能够保持稳定，且能够快速收敛；