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pH过程的智能PIP控制

pH过程的智能PIP控制 2011年12月09日 来源： pH值的检测和控制对于提高化工产品的质量与产量、生产设备的安全防护以及环境保护均是致关重要的因素之一，然而对pH值实施控制却并非易事。其原因在于：pH过程本身具有的严重非线性特性（见图1）；在中和点的附近具有较高的灵敏度；难于建立准确的数学模型；环境（如温度、压力、电极的清洁度等）的变化以及某些干扰的存在都会引起pH过程特性的改变，如果再加上高标准的性能要求，pH过程就完全具有现代工业系统的特征。传统的反馈控制（包括PID控制）的局限性在现代工业系统面前暴露无疑，其中一个重要的原因是对系统的暂态响应与稳态响应均采用固定结构、同一模式来实施控制。而暂态响应与稳态响应是两种性质、要求均不相同的响应，深入剖析控制的实质还发现，在时间响应的某个区域之内只需使用一种简单的控制方式就能满足要求。据此运用控制理论的洞察力和人工智能灵活的框架结构，将pH值的复杂控制过程，按偏差：e，，的属性将整个控制过程划分为3～5个相对独立的控制区域（子过程），对每一个控制区域仅使用一种简单控制方式（类似于比例或积分控制），子过程的连接（或过度）或控制方式的切换，完全依赖于对e，，属性的在线（逻辑）自动实现。　　由于采用一种控制方式满足一种性能要求，因此，大量的仿真实验以及现场实际运用均证明，智能PIP控制是一种能获得优良控制品质的实用的控制方法。

1　仿人智能控制器的框架结构

控制理论是描述系统运动规律的理论，研究控制理论的最终目的是学会设计（控制）系统。从人工智能问题求解的观点来看，控制系统的设计实质上就是控制器对控制问题的求解，也可以说成是偏差输入e（t）到控制作用的动态数学映射：对系统进行分析，其实质是对系统的动态性能进行研究并给出评价，最直观的依据是控制系统的时间响应，它由暂态响应与稳态响应两大部分组成。暂态响应与稳态响应是两种性质要求均不相同的响应，它们之间并不存在必然的联系。而传统控制，对其系统暂态响应与暂态响应均采用同一模式、固定结构实施控制，作者认为是宏观决策的一大失误。深入剖析人的宏观控制行为，不难得出对暂态响应的要求是快速、平稳，稳态响应的要求是稳态（内部）稳定及稳态准确（无差），同时要求两者都具有较强的对付系统不确定性的能力。欲达此目的，在设计智能PIP控制时有如下几个概念性问题有别传统控制的设计：　　①暂态响应的平稳性与稳态响应的稳定性必须区分开来。前者可用控制作用来实现，例如利用反向控制的强制作用使暂态响应平稳，它的优点是不会削弱暂态响应的快速性；后者是控制系统的内部稳定性问题，解决它的最佳方法是反馈镇定，即增加系统阻尼使系统镇定。而增加阻尼必然减缓系统的响应速度，但是当系统响应进入“规定”的稳态后，响应速度的快慢已无关紧要，重要的是控制器的输出u（t）不要作不应该发生的频繁变化。　　②采用开环（或类似于开环）控制的主动性实现暂态响应的快速性。由于避开了闭环稳定性问题，可大胆地采用最大控制强度（作用）使系统响应加速。对于无纯滞后和无滞环的n阶系统，控制强度的约束取决于系统的最大能量M；对于具有纯滞后τ的系统，控制强度的约束取决于最大能量M与其作用的最小宽度τ之乘积，利用开环控制的主动性可按模式切换的最小宽度τ设计控制策略。　　③暂态响应的快速性与平稳性，分别用开环控制的主动性与反向控制的强制性两种不同的控制模式来实现。衡量暂态响应的性能指标是快速且无（或很小）超调，用一种控制模式完成一种性能指标是前面两个概念的物理本质。　　④稳态稳定和稳态无差，也是两个不同的性能指标。利用两种控制模式同时作用：一是实现系统内部稳定的反馈控制；二是实现稳态无差的“激励性”。所谓激励性是指系统响应进入规定的稳态之后，其控制作用u（t）是以系统激励的形式出现在控制器的输出端，它不会影响系统的内部稳定性。另一方面，当加入的激励作用不能实现稳态无差时，应具有通过反馈的监控，使系统再次进行暂态过程，对误差再进行在线学习，直到满足稳态无差的要求。

2　智能PIP控制器

常规PIP控制的算式：比例作用——线性放大作用，类似于人脑的想象功能，具有一定程度控制的主动性，但缺乏想象力具有的非线性和时变性；积分作用——对误差信号的记忆和积累功能，具有激励性，缺乏智能性；微分作用——类似于人的预见性，具有一定程度的强制性，但缺乏远见卓识。更为严重的是三种不同的控制作用之间存在着严重的相互制约和相互抵消。以开车为例，加速时只踏油门不踩刹车，制动时关闭油门再踩刹车，决不会在加大油门的同时踩住刹车，反之亦然。如果将常规PID控制比喻为开车，它是否同时“踏踩油门与

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