探讨PID下的智能制造系统自动化控制.pdf

人工智能摘要：在智能制造系统中，自动化控制作为系统的重要组成部分，是提升生产效率的主要手段。本文研究了在智能制造系统中，PID控制下的自动化控制。在分析了智能制造系统、自动化控制与PID控制技术后，通过MATLAB仿真软件与实验相结合的方式，探讨了PID下的智能制造系统自动化控制，并研究了相关对策。关键词：PID；自动化控制；智能制造PID控制作为传统工业生产过程中最重要的控制方法之一，已在现代工业生产中得到了广泛的应用。但由于在传统工业过程中，PID控制的应用已相对成熟，因此如何在新时代环境下设计并使用PID控制器来实现对智能制造系统中自动化的控制就成为了当前研究的重点。本文通过MATLAB仿真软件与实验相结合的方式，探讨了在智能制造系统中如何设计并使用PID控制器来实现自动化控制。一、智能制造系统(一)控制系统控制系统是智能制造系统中的重要组成部分，主要包括三个方面：信息获取与处理、控制决策以及控制执行。其中，信息获取与处理主要是指从控制系统中获取信息，并对这些信息进行分析和处理；控制决策主要是指根据这些信息对相应的参数进行分析和控制；而控制执行则是指按照生产流程以及工艺要求对生产过程中的各个工序进行生产。与传统制造系统相比，智能制造系统的自动化程度更高，且功能更加全面。同时，在智能制造系统中，整个生产过程都是由计算机进行监控和管理的。智能制造系统在执行过程中需考虑到诸多因素的影响，如设备状态、工艺条件以及现场环境等方面，因此如何对这些因素进行综合分析与研究是十分重要的。在分析和研究过程中主要从以下几个方面人手：一是信息获取与处理；二是控制决策；三是控制执行；四是信息采集和传输；五是智能监控与管理；六是智能诊断。(二)智能系统智能制造系统是在当代信息技术、自动化技术等基础上，通过现代人工智能技术以及计算机、网络通信作者简介：董杰（1 9 8 4 一），硕士研究生，研究方向：制冷技术、机电工程以及智能制造自动化。117新潮电子探讨PID下的智能制造系统自动化控制董杰【格力电器（合肥）有限公司，安徽合肥2 3 0 0 8 8 和自动化技术等对制造过程中的各种资源进行有机整合和优化，从而形成的一种综合性智能系统。智能系统包括两个方面：一是智能化制造过程；二是智能化生产组织。在智能制造过程中,其主要功能为实现各种生产资源的优化配置，在确保产品质量的同时，提高生产效率。而在生产组织方面，其主要功能是实现各个企业间的资源共享、信息共享，以便实现整个企业的经济效益最大化。此外，智能制造系统中的自动化控制主要包含：人机接口、自动控制和信息处理等方面内容。这为研究智能制造系统自动化控制奠定了良好的基础。(三)自动控制智能制造系统中的自动控制是指通过各种传感设备和执行设备对生产过程进行实时监控，并根据生产过程的变化情况及时地调整各种参数，从而确保生产系统稳定运行的一种控制方法。在智能制造系统中，通过对生产过程的实时监控和调节，可以使自动控制装置对生产过程进行实时的控制与调整。具体来说，智能制造系统中的自动控制主要包括以下几种形式：(1)数据采集系统；（2）数据处理系统；（3)状态监测系统；（4)逻辑判断与决策系统。其中，数据采集系统是由传感器、转换器、信号放大器等组成；状态监测系统是由显示装置、记录装置及报警装置等组成。逻辑判断与决策系统是由控制器、计算机、显示器等组成；其中，传感器的作用主要是将生产过程中的各种信息进行采集并传输到数据处理和决策支持系统中，通过对信息的处理与分析，以帮助决策人员及时获得生产过程中各种信息与参数，并根据具体情况适时作出调整和决策，从而保证生产过程持续稳定运行。二、自动化控制与PID控制技术(一)PID 控制特点PID控制是最早被广泛应用于工业控制中的自动控制技术，在整个自动控制系统中占有十分重要的地位。其优点有：第1 4 期（总第5 4 5 期）第1 4 期（总第5 4 5 期）（1）具有较高的抗干扰能力，能对干扰信号进行有效抑制。在实际工业生产中，由于受到各种因素影响，会产生大量干扰信号，这些干扰信号会对系统运行造成极大影响。而PID控制器能够在受到各种外界因素干扰时仍能保持稳定运行，具有较高的抗干扰能力，使整个系统处于安全、稳定状态。（2）具有良好的控制品质，抗干扰性能好。PID控制器结构简单、使用方便，其基本结构包括两部分：参数整定和PID控制器。PID控制器是基于传统的PID算法发展而来的，具有较高的可靠性和稳定性。(3)可对非线性、时变对象进行控制。对智能制造系统中存在的非线性、时变对象，采用传统PID控制方法很难得到较好的控制效果。(4）控制参数多，自适应能力强。PID控制参数众多，如积分时间常数k、比例系数K等，不同的k值对系统性能的影响各不相同。而对于非线性、时变性对象来说，根据不同对象的特点选择合适的k值能使PID控制器具有更强的自适应能力和更好的控制品质。(5)结构简单、使用方便，易于推广。相比于传统工业中应用最多的PID控制器来说，PID控制器具有结构简单、使用方便等优点，非常适合用于对智能制造系统进行自动化控制。（二）PID控制器工作原理PID控制器的工作原理如下：首先，PID控制器将输入信号转换为相应的输出量，如输出量为实际值、偏差和误差等。其次，根据偏差和误差对系统进行调整，使系统的输出满足要求。最后，PID控制器将系统中的偏差与误差计算出的控制量及输入信号进行比较，并将比较后的结果输出给执行机构。当智能制造系统处于正常工作状态时，PID控制器是按照给定值进行控制。当智能制造系统出现故障或受干扰时，PID控制器会根据偏差和误差计算出新的控制量并将其输人给执行机构，从而实现对智能制造系统的控制。但是在实际生产过程中，PID控制器很难保持最优状态，因此当出现异常或受到干扰时会对系统造成严重影响。因此在对智能制造系统进行自动化控制时需配置辅助控制器、中间控制设备和状态检测设备等，以保证智能制造系统在出现异常或受到干扰时能够快速响应并进行控制。（三）基于PID的智能制造系统设计思路智能制造系统是集控制理论、计算机网络技术为一体的自动化控制系统，因此对其进行设计时也需要采用PID控制。智能制造系统设计包括硬件和软件两部分，其中硬件部分主要是由信息采集系统、中央处理新潮电子系统等构成，软件部分主要包括PID控制、PLC程序设计、上位机监控管理软件等构成。在此基础上，要想实现对智能制造系统进行自动化控制，就需要对智能制造系统的各个组成部分进行合理设计。在硬件设计方面，其主要包括计算机、传感器等。其中计算机与PLC之间的通信是通过工业以太网完成的，PLC通过与工业以太网通信来完成对各个设备的远程监控；在PLC程序设计方面，其主要是通过计算机来实现对PID控制器的编程；在上位机监控管理软件方面，主要是将控制信息进行显示。此外还可以选择现场总线、工业以太网等作为连接方式。三、PID控制器设计PID控制器主要包括比例积分微分（PI）控制器、比例微分（PID)控制器等。其基本原理是以被控对象的输出作为输入，在给定的比例阀值上，使输出量与输人信号成正比，从而获得闭环控制。在智能制造系统中，主要是对过程输出量的变化进行检测并采取相应的动作来达到控制要求。而被控对象是工业过程中常用的对象，其具有惯性较大、滞后时间长等特点，因此对其进行控制时，传统的控制方法通常只能在设定值附近进行调节。而在实际生产中，当被控对象处于复杂多变的工作环境时，其具有很大的不确定性和随机性，传统的控制方法很难对其进行有效控制。而PID控制器因其对系统参数变化和外部扰动因素具有很好的适应性和鲁棒性而被广泛应用于各种工业过程中。以典型过程为例，假设整个系统工作时可分为3 个阶段：初始阶段、稳定阶段和饱和阶段。系统初始阶段是指系统开始工作时，此时由于被控对象参数变化、外界干扰等因素导致系统不稳定并进入饱和阶段；在稳定阶段中，当被控对象处于稳定状态后，由于外界扰动等因素使其进入饱和阶段；而当被控对象处于饱和状态时，此时被控对象的输出信号会由于扰动等因素出现偏差。而此时通过对PID控制器的设计，可以使得系统在处于不同的工作状态时都能使输出信号达到较为理想的效果。3 个控制参数通过对其比例系数、积分系数与微分系数的改变实现对系统输出信号与输入信号间偏差大小的调节。其中PID控制器用来调节比例参数与积分参数；微分参数则用来对被控对象输出信号波动情况进行调节。而在整个PID控制器设计过程中，最关键的环节就是参数优化选择。通常情况下，如果系统数学模型中存在一些不可忽略的环节时，则在PID控制器设计过程中一定要对该环节进行考虑并进行相应优化。优化PID参数应遵循以下原则：最小化；最优118人工智能人工智能化；基于模型与基于性能相结合；基于模型与基于性能相结合。PID控制具有简单、易操作等特点，因此其在工业过程中的应用也相对成熟。但由于在智能制造系统中，不同批次之间存在较大差异性，因此在工业生产过程中仍需进行适当优化。例如，如果被控对象存在惯性较大、滞后时间长等特点时，就需要对系统参数进行适当优化和调整。通常情况下可以将控制器阶数设为整数倍来获得较好的控制效果，但为了更加清晰地看出PID控制与传统控制在控制器阶数选择方面的差异性，可以将阶数设置为整数倍以方便观察。而当被控对象具有较大惯性、较长滞后以及外界干扰时，则需要将阶数设置为整数倍。本文设计的PID控制器根据被控对象工作时的特性进行设置，从而确保其能满足工业生产过程中所需的性能指标，可以通过仿真实验来验证该控制器设计对整个智能制造系统自动化控制的作用。四、PID下的智能制造系统研究在智能制造系统中，自动化控制的重要意义已经越来越凸显，而PID控制器作为实现自动化控制的主要手段之一，其重要性也越来越明显。因此，研究如何使用PID控制器来实现智能制造系统的自动化控制就成为了当前的一大重要课题。而在新时代背景下,要想实现智能制造系统中PID控制器的自动化控制，除了要注意PID控制算法的研究之外，还需要注意以下几个方面：（1）通过PID控制算法的不断优化与完善，实现对系统各环节的实时控制；（2）要尽可能地降低系统中由于存在非线性、多变量、时滞等问题而造成的影响，提高系统对复杂环境的适应能力；（3）要尽量减小在不同环境下对PID控制算法的影响，尽可能地使PID控制算法适应于各种复杂环境；（4）要尽量使系统各环节之间的参数具有较强的耦合性，以此来提高系统运行的安全性。(一）优化控制算法智能制造系统中，PID控制器的优化是提升系统控制效果的一大关键要素，因此在研究PID控制算法时，应该将优化控制算法作为核心目标，并以此为依据设计出相应的PID控制器，以此提升PID控制器的自动化控制水平。优化控制算法主要有两种方式，即直接优化和间接优化。直接优化方式主要是根据系统误差变化率的变化对PID控制器参数进行调整，这样做不仅能够提升系统整体控制效果，还能够为后续系统性能的提升提供重要保障。间接优化方式主要是利用前馈补偿和反馈校正对PID控制器参数进行调整，这种方119新潮电子式既可以弥补直接优化方法的不足之处，还能够为系统误差变化提供重要保障。例如，采用前馈补偿的方式就能够较好地解决模型存在不确定性的问题；而采用前馈补偿方式也可以对系统稳定性进行提升。通过对PID控制器参数进行合理调整后，既能够使系统在任何复杂环境下都能够达到预期效果，也能进一步提高智能制造系统的运行效率。（二）强化系统参数的优化设计PID控制算法的优化设计是一个复杂的过程，只有经过系统参数的合理设置才能够使系统发挥出更大的作用。因此，在实际操作中，为了避免出现PID算法设计不当而影响智能制造系统自动化控制效果的问题，相关工作人员应该重视系统参数的合理设置。例如，在设置PID控制器参数时，应当尽可能地选择与被控对象相匹配的PID控制器参数；如果是被控对象难以确定，则可以使用常规的PID控制算法设计PID控制器参数。但需要注意的是，常规PID控制算法设计中采用最小偏差原理设计控制器参数时，如果被控对象模型具有一定非线性和不确定性因素则无法使用最小偏差原理来设计参数。因此，为了提高智能制造系统的运行效率和精度，可以使用传统的PID算法来设计系统的参数。当然，如果在实际工作中想要获得更好的控制效果，则可以采用更先进的智能优化算法来对系统中的PID控制算法进行优化设计，进而使智能制造系统中各环节之间具有更强的耦合性，并尽可能地提高智能制造系统各个环节之间的运行效率。五、结语PID控制器在智能制造系统中的应用不仅能够提升其运行效率，同时还能有效地提升其控制性能，进而为工业生产企业带来更高的经济效益。目前，PID控制器已成为了智能制造系统自动化控制中最重要的组成方式之一。本文通过对PID下的智能制造系统自动化控制进行研究与分析，旨在为工业自动化生产企业提供一些借鉴与参考。参考文献：1许方恒,张雯.全局性视角下智能制造信息系统关键性技术研究 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