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浅析人工智能在电气自动化控制中的应用摘要:社会的进步和人类的长寿要求生产力更加发达,要求人类的经济生活更加智能化,以节省宝贵的人类时间去做其它有益的事情。电气自动化控制领域的革新需要人工智能的大力支持,而人工智能在自动化控制方面的优势在这个领域也确实能够得到极大的发挥,促进自动化控制的发展进步。关键词:人工智能;自动化控制;恒压供水
1概述人工智能(Artificial Intelligence),英文缩写为AI。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能是计算机科学的一个分支,它企图了解智能的实质,并生产出一种新的能以人类智能相似的方式作出反应的智能机器,该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。自从1956年“人工智能”一词在Dartmouth学会上提出以后,人工智能研究飞速发展,成为以计算机为主,涉及信息论、控制论、自动化、仿生学、生物学、心理学、数理逻辑、语言学、医学和哲学的一门学科。人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂的工作。电气自动化是研究与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验分析、研制开发以及电子与计算机应用等领域的一门学科。实现机械的自动化,让机械部份脱离人类的直接控制和操作自动实现某些过程是电气自动化和人工智能研究的交汇点。积极运用人工智能的新成果无疑有利于电气自动化学科特别是自动控制领域的发展,也有利于提高电气设备运行的智能化水平,对改造电气设备系统,增强控制系统稳定性,加快生产效率都有重大意义。2人工智能应用理论分析人工智能是一门边沿学科,属于自然科学和社会科学的交叉。涉及哲学和认知科学、数学、心理学、计算机科学、控制论、不定性论、其研究范畴为自然语言处理,知识表现,智能搜索,推理,规划,机器学习,知识获取,感知问题,模式识别,逻辑程序设计,软计算,不精确和不确定的管理,人工生命,神经网络,复杂系统,遗传算法等,应用于智能控制,机器人学,语言和图像理解,遗传编程。人工智能就其本质而言,是对人的思维的信息过程的模拟。对于人的思维模拟可以从两条道路进行,一是结构模拟,仿照人脑的结构机制,制造出“类人脑”的机器;二是功能模拟,暂时撇开人脑的内部结构,而从其功能过程进行模拟。现代电子计算机的产生便是对人脑思维功能的模拟,是对人脑思维的信息过程的模拟。人工智能不是人的智能,更不会超过人的智能。“机器思维”同人类思维的本质区别:a.人工智能纯系无意识的机械的物理的过程,人类智能主要是生理和心理的过程。b.人工智能没有社会性。c.人工智能没有人类的意识所特有的能动的创造能力。d.两者总是人脑的思维在前,电脑的功能在后。当今社会,计算机技术已经渗透到生产生活的方方面面,计算机编程技术的日新月异催生自动化生产,运输,传播的快速发展。人脑是最精密的机器,编程也不过是简单的模仿人脑的收集、分析、交换、处理、回馈,所以模仿模拟人脑的机能将是实现自动化的主要途径。电气自动化控制是增强生产、流通、交换、分配等关键一环,实现自动化,就等于减少了人力资本投入,并提高了运作的效率。比如说,超高压输电设备,如果没有稳定可靠的自动化控制系统来运行,单靠人来直接控制,不但影响效率而且会造成诸如人身伤亡,供电调配不均,资源浪费等问题。中国制造早已名声在外,但中国生产线的自动化水平却非常低,生产效率不高。中国是以大量劳动力廉价输出而换取的经济总量,并没有达到较发达国家的经济质量。人工智能应用于电气自动化控制领域,就是打造具有人的一部份判断能力、处理能力的电气控制系统,提高生产能力,支持产业结构的调整和优化。3案例:AI人工智能调节器在恒压供水中的应用3.1工作原理系统主要由AI-808人工智能调节器、变频器、控制接触器组、水泵、阀门、压力变送器等组成。由于水泵功率较大,为节约成本,只用1台变频器,3台水泵的其中2台可以采用变频调速,这样在某1台故障或维护时可以切换到另1台进行变频控制。压力传感器检测出水总管压力,经变送器送至AI-808仪表,与设定值比较得到压力误差和误差变化率,经AI-808特有的模糊、PID相结合的控制算法运算后,将输出控制信号(4~20mA)送到变频器控制端。通过调节频率从而使出水管压达到要求指标。当用户和水量增加时,在一台水泵变频达到50Hz仍不能满足供水压力要求,PLC将检测到AI-808调节器的压力低信号,按其逻辑及工艺要求,加入另1台水泵工频运行;同样,在用户用水量下降,PLC通过收到AI-808调节器的水压高信号后,将其中1台工频水泵退出运行。系统运行时,变频器是固定控制某一台水泵,不实施多台水泵切换的方法。这样可以避免频繁切换对系统及变频器造成的冲击,并具有较高的可靠性。同时也考虑到灵活性及检修等方面,系统可采用手动方式选择2台水泵中的1台变频运行,也可以减少某1台水泵长期低频运行所造成的损耗。3.2控制算法工业过程中常用的PID控制器适用于线性定常系统,而供水系统的对象时常含有非线性、时变环节,而且有些参数未知式缓慢变化,因此单独采用PID控制较难达到理想的控制效果,AI人工智能调节器采用模糊控制和改进PID相结合的双模控制算法。当控制开始时,误差e=Y-s较大,即偏差|e|≥EM时(EM为双模控制算法e的边界值),系统采用模糊控制算法,具有较好的动态性能。在误差逐渐减小,即偏差|e|&EM时,采用改进PID控制算法,消除积分饱和现象,使系统静态性能达到最佳。将误差e和误差变化率c整量化及模糊化后,采用带修正因子的模糊控制规则:P=[αe+(1+α)c]式中:P为控制量U的整量化值;α为修正因子,介于0和1之间的数。改变α的值可以改变双模算法的模糊控制规则,从而改变系统的动态品质。AI调节器在调节过程中具有自学习、自调整功能。3.3 AI-808人工智能工业调节器AI-808人工智能调节器具有模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。在误差大时,运用模糊法进行调节,以消除PID饱和积分现象;当误差减小时,采用改进后的PID算法进行调节,并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。其具有无超调、高精度、参数确定简单,对复杂对象也能获得较好控制效果等特点。其整体调节效果比一般的PID算法更明显。这一点在系统调试中得到验证,起初选用日本生产的单纯PID调节器,在用水量变化和水泵投退过程中,其超调量和稳定时间均不理想,在改用AI-808智能仪表后,其动态、静态指标均满足了要求。3.4可编程控制器选用FX1N系列可编程控制器,输出为继电器类型。由于PLC只完成水泵自动切换等逻辑功能,所以不需要模拟量输入输出模块,从而节省了投资,系统的压力闭环控制由AI-808人工智能仪表完成,其算法的优越性远高于PLC内部较为简单的PID算法。3.5变频器采用艾默生TD0P型变频器,适用于水泵型负载。可通过手动电位计或AI-808调节器输出的电流信号来控制频率。这两种模式的切换由操作台手动/自动开关来实现。将变频器多功能端子定义为电位计—电流信号控制模式。3.6控制台系统控制台设计兼顾了手动和自动两种操作方式。手动状态下,每一台水泵和阀门都可以单独开启/停止,变频器频率可通多圈电位计手动调节;在自动模式下,通过选择开关确定要投入运行的水泵,这样在某台水泵维修时,可以让其退出自动运行的行列,而不影响系统的正常运行。控制台除了PLC、AI-808
调节器外,还设有水位显示仪、分管压力显示仪、频率表。3.7参数设置AI-808调节器提供丰富的用户设置方式,使其对不同的控制均能达到满意的控制效果。参数设置决定系统的静态和动态性能,该系统的参数设置如下:给定值:0.43~0.47MpaHIAL:上限报警,不用。LOAL:下限报警,不用。dHAL:正偏差报警,系统用于控制水泵的切换,Dhal=0.05。dLAL:负偏差报警,系统用于控制水泵的切换,dLAL=0.05。Df:回差(死区、滞环),用于避免因测量输入值波动而产生频繁调节作用,在回差范围内位式调节不起作用,Df=0.05。Ctrl:控制方式,采用AI人工智能调节/PID调节,Ctrl=1。M5:保持参数,主要决定调节算法中的积分作用,和PID积分时间类似,M5越小,系统积分作用越强。M5=0时取消积分和AI人工智调节,成为PD调节器,系统值=25。P:速率参数,与每秒内仪表输出变化100%时测量值时应变化大小成正比,P=1000/每秒测量值的升高单位值(系统以0.1定义为一个单位),P=5。T:滞后时间,t越小,则比例和积分作用均成正比增强,而微分作用相对减弱,但整体反馈作用增强:反之,t越大,则比例和积分作用均减弱,而微分作用相对增强,t=4。Ctl:输出周期,反映仪表运算调节的快慢,Ctl=2。Sn:输入反馈信号类型,Sn=33,信号为1~5V。3.8分析优点系统采用AI-808人工智能调节器和FX1NPLC相结合的变频调速恒压供水方案已在现场运行多年,情况表明:a.用AI人工智能调节器,采用模糊控制和PID结合的控制方案,发挥了两种控制器的优点,达到较好的动态和稳态指标,对系统压力调节具有恢复时间快、超调小等优点。其自整定功能为用户提供了一种方便快捷的参数设置方法,系统稳定误差在±0.01Mpa。b.电机功率为180kW,采用单台变频切换的方式有利于降低系统造价。c.变频调速系统使水泵电机在软起动下运行,无冲击电流、使用寿命长,同时具有良好的节能效果。4案例简析恒压供水在工业和民用供水系统中已普遍使用,由于系统的负荷变化的不确定性,采用传统的PID算法实现压力控制的动态特性指标很难收到理想的效果。在恒压供水自动化控制系统的设计初期曾采用多种进口的调节器,系统的动态特性指标总是不稳定,通过实际应用中的对比发现,应用模糊控制理论形成的控制方案在恒压系统中有较好的效果。在实施过程中选用了AI-808人工智能调节器作为主控制器,结合FX1N PLC逻辑控制功能很好地实现了水厂的全自动化恒压供水。对于单独采用PLC实现压力和逻辑控制方案,由于PLC的运算能力不足编写一个完善的模糊控制算法比较困难,而且参数的调整也比较麻烦,所以所提出的方案具有较高的性价比。上述案例中只是一个人工智能在电气自动化中的一个小小的应用,也是电气元件生产,供给的一个方向,实现机械智能化是我们努力的追求,将人工智能的先进的最新成果应用于电气自动化控制的实践是一个诱人的课题。5结论人类智能主要包括三个方面,即感知能力,思维能力,行为能力。而人工智能是指由人类制造出来的“机器”所表现出来的智能。人工智能主要包括感知能力、思维能力和行为能力。人工智能的应用体现在问题求解,逻辑推理与定理证明,自然语言理解,自动程序设计,专家系统,机器人学等方面,而这诸多方面都体现了一个自动化的特征,表达了一个共同的主题,即提高机械人类意识能力,强化控制自动化,因此人工智能在电气自动化领域将会大有作为,电气自动化控制也需要人工智能的参与。
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