基于PLC的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具

1 引言
近半個世紀以來，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論、方法和技術(shù)(簡稱傳統(tǒng)控制)，取得了令人矚目的成就。但是，無論是現(xiàn)代控制理論還是大系統(tǒng)理論，其分析、綜合和設計都是建立在嚴格和精確的數(shù)學模型基礎(chǔ)之上的。而在科學技術(shù)和生產(chǎn)力高速發(fā)展的今天，人們對大規(guī)模、復雜、不確定性系統(tǒng)實行自動控制的要求不斷提高。因此，傳統(tǒng)的基于精確數(shù)學模型的控制理論的局限性日益明顯。
(1) 傳統(tǒng)控制所面臨的難題
l 傳統(tǒng)控制方法的設計和分析是建立在系統(tǒng)的精確模型基礎(chǔ)上的，而實際系統(tǒng)由于存在復雜性、時變性、不確定性和不完全性等，一般無法獲得精確的數(shù)學模型;
l 采用傳統(tǒng)控制理論進行系統(tǒng)設計時，必須提出并遵循一些苛刻的假設，而這些假設往往與實際情況不符，使得所設計的系統(tǒng)性能與實際情況相差很遠;
l 對某些復雜的帶有時變性與不確定性的系統(tǒng)，即使獲得了良好的控制性能，當環(huán)境條件發(fā)生變化時，其性能也會顯著變差;
l 為了提高控制性能，傳統(tǒng)的控制理論可能變得相當復雜，從而增加了設備投資，降低了系統(tǒng)可靠性。
(2) 傳統(tǒng)控制的缺陷與不足
l 對環(huán)境的干擾和不確定性缺乏足夠的魯棒性;
l 突發(fā)事件的處理需要人工的干預;
l 無法處理非數(shù)字和不精確的信息;
l 無法通過在線學習以提高自身性能。
以上因素正是傳統(tǒng)控制技術(shù)需要突破的一些癥結(jié)，于是，專家控制的基本思想就應運而生了。

2 專家控制的基本思想[5][6]
專家控制是智能控制的一個重要分支，它是把專家系統(tǒng)的思想和方法引入控制系統(tǒng)及其工程應用。就其實質(zhì)而言，專家控制是基于控制對象和控制規(guī)律的各種知識的總和，而且要以智能的方式使用這些知識，求得受控系統(tǒng)更可能地優(yōu)化和實用化，它反映出智能控制的許多重要特征和功能。

2.1 專家控制的基本思想
專家控制=自動控制理論和方法+人工智能專家系統(tǒng)技術(shù)
實際系統(tǒng)中存在的啟發(fā)式邏輯本質(zhì)上是實現(xiàn)控制目標的各種規(guī)律性的經(jīng)驗知識，這些經(jīng)驗知識難以用一般性的數(shù)值形式表達，而適合用符號形式加以描述;再者，這些經(jīng)驗知識既不能簡單的羅列，有難以用用解析的方法綜合，因而必須給予恰當?shù)慕M織，并能自動地進行推理，人工智能中的專家技術(shù)恰恰為這種經(jīng)驗知識的表示和處理提供了有效辦法。
人工智能領(lǐng)域中發(fā)展起來的專家系統(tǒng)是一種基于知識的、智能的計算機程序系統(tǒng)。
(1) 專家系統(tǒng)的兩個要素
l 知識庫:存儲有某個專門領(lǐng)域中事先總結(jié)的按某種格式表示的專家水平的知識條目。
l 推理機制:按照類似專家水平的問題求解方法，調(diào)用知識庫中的條目進行推理、判斷和決策。
專家系統(tǒng)的知識庫和推理機制在組織結(jié)構(gòu)上分離建造，而在運行過程中又相互作用，這使得系統(tǒng)具有較大的靈活性:知識的增刪、修正和更新獨立于推理機制，具有很好的透明性—推理的結(jié)論和根據(jù)可以與系統(tǒng)外部交互。
總之，專家系統(tǒng)將專門領(lǐng)域的問題求解思路、經(jīng)驗、方式組織成一個實際運行的形式系統(tǒng)，表現(xiàn)出一種擬人的智能性，它與傳統(tǒng)的自動控制理論和方法的結(jié)合，形成了專家控制的基本思想。
將專家系統(tǒng)技術(shù)引入控制領(lǐng)域，首先必須把控制系統(tǒng)看成一個基于知識的系統(tǒng)，而作為系統(tǒng)的核心部件的控制器則要體現(xiàn)知識推理的機制和結(jié)構(gòu)。
知識庫內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)可采用人工智能中知識表示的合適方法，其中，一部分知識可稱為數(shù)據(jù)，例如事實(先驗知識)、證據(jù)(動態(tài)信息)、假設(由事實、證據(jù)推得的中間狀態(tài))和目標(離線設定的或在線建立的性能指標)、數(shù)據(jù)組織在一起，形成數(shù)據(jù)庫。另一部分知識可稱為規(guī)則，即定性的推理知識，它們往往表示為產(chǎn)生式規(guī)則，組成知識庫，在專家控制中，定量知識，即各種有關(guān)的解析算法，一般都獨立編碼，按常規(guī)的程序設計方法組織。
推理機制的基本功能在于按某種策略選用推理規(guī)則，對于專家控制，同樣可采用人工智能中的前向推理或后向推理策略。
一種典型的專家控制系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 一種典型的專家控制結(jié)構(gòu)

(2) 專家控制的兩個特點
l 定量知識和定性知識分離構(gòu)造。數(shù)值算法直接與受控對象或過程相連，以便得到快速的控制響應。知識系統(tǒng)處于較高的智能層次，實現(xiàn)以智能啟發(fā)式邏輯推理為主的控制功能。
l 知識庫系統(tǒng)。數(shù)值算法和人—機通訊三個子過程并發(fā)運行，其中，用戶通過人—機接口可以直接地與知識庫系統(tǒng)，進而間接的與數(shù)值算法交互，以便操作人員對于控制系統(tǒng)進行離線的修改或在線的監(jiān)督、干預。

2.2 專家控制的目標與實現(xiàn)
專家控制系統(tǒng)≠專家系統(tǒng)
專家系統(tǒng)的理想目標是要實現(xiàn)這樣一個控制器或控制系統(tǒng):
(1) 滿足復雜動態(tài)過程的控制需要，例如任何時變的、非線性的，受到各種干擾的控制過程;
(2) 控制系統(tǒng)的運行可以利用一些經(jīng)驗知識，而且只需要一些最少量的經(jīng)驗知識;
(3) 有關(guān)受控過程的知識可以不斷的增加、積累，據(jù)以改進控制性能;
(4) 潛在的控制知識以透明的方式存放，易于修改和擴充;
(5) 用戶可以對控制系統(tǒng)的性能進行定性的說明，例如“速度可能快”、“超調(diào)要小”等;
(6) 用戶可以訪問系統(tǒng)的內(nèi)部信息，進行交互，例如受控過程的動態(tài)特性、控制性能的統(tǒng)計分析、限制控制性能等因素，以及對當前采用的控制作用的解釋等等。
專家控制的上述目標可以看作是一種比較含糊的功能定義，它們覆蓋了傳統(tǒng)控制在一定程度上可以達到的功能，但又超過了傳統(tǒng)控制技術(shù)。作一個形象的比喻，專家控制是試圖在控制閉環(huán)中加入一個有經(jīng)驗的工程師，系統(tǒng)能為他提供一個“控制工具箱”，即可對控制、辯識、測量、監(jiān)視等各種算法選擇自便，調(diào)節(jié)自如。因此，專家控制實質(zhì)上是對一個“控制專家”的思路、經(jīng)驗、策略的模擬、延伸、擴展。

3 基于PLC的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具[2][4]
3.1 現(xiàn)代PLC技術(shù)的發(fā)展
可編程序控制器問世以來，經(jīng)過近30年的發(fā)展，產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到第四代。其技術(shù)日臻完善，應用范圍也不斷擴展。目前，為了適合大中小企業(yè)的不同需要，進一步擴大PLC在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應用范圍，PLC正朝著以下兩個方向發(fā)展:其一是低檔PLC向小型、簡易、廉價的方向發(fā)展，使之能更加廣泛地取代繼電器控制;其二是中、高檔PLC向大型、高速、多功能方向發(fā)展，使之能取代工業(yè)控制微機的部分功能，對大規(guī)模、復雜系統(tǒng)進行綜合性的自動控制。

3.2 基于PLC的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具
“基于PLC的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具”(ECST V2.2)所開發(fā)出的專家控制系統(tǒng)是用于工業(yè)實時控制，它是專家控制與常規(guī)控制的集成，即專家控制的控制策略通過常規(guī)的控制機構(gòu)來實現(xiàn)，從而到達智能控制與常規(guī)控制相結(jié)合。Paradym-31是世界著名工控廠家Wizdom公司的Paradym-3(P31)工作平臺，它有硬件和軟件兩部分組成，軟件部分是基于Windows操作系統(tǒng)逼供內(nèi)具備圖形化開發(fā)環(huán)境的工作平臺，在圖形化的編程界面下，用戶可以在其中制作和調(diào)試自己的應用程序(如梯形圖、順控圖、功能模塊圖)，編譯過的應用程序可下載到硬件部分進行工作;硬件部分擁有獨立的CPU模塊，具備實時的控制器內(nèi)核。同時，通用的通訊端口可方便地與外部設備進行RS232、Modbus、及以太網(wǎng)通訊。因此，P31可通過該通訊端口進行監(jiān)視、暫停、開始、更改某一變量數(shù)值等操作，從而達到可視化的控制被控對象的目的。
(1) “基于PLC的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具”結(jié)構(gòu)圖
“基于PLC的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具”結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。與其它開發(fā)工具相比，“基于PLC的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具”的不同之處是:在主窗口處增加了“導入專家控制器”;在編輯子窗口處，“設計專家系統(tǒng)”菜單下的內(nèi)容又有所變化，該菜單下各項子菜單的作用如下:“創(chuàng)建專家系統(tǒng)控制器”是創(chuàng)建一個新的專家系統(tǒng)控制器，“導出專家系統(tǒng)控制器”是把創(chuàng)建好的專家系統(tǒng)控制器打開在“多頁編輯窗口”。在“創(chuàng)建專家系統(tǒng)控制器”中，“創(chuàng)建功能塊對話框”為用戶提供了創(chuàng)建輸入輸出變量以及內(nèi)部變量的接口，該窗口為用戶產(chǎn)生了一個空的專家系統(tǒng)，具體實現(xiàn)要在“多頁編輯窗口中”添加。

圖 2 基于PLC的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具結(jié)構(gòu)圖

“多頁編輯窗口中”共有五項，它們分別是“專家控制頭文件”、“專家控制模塊”、“控制算法集”、“動態(tài)數(shù)據(jù)庫”、“知識庫”。其中，需要說明的是“專家控制頭文件”是由“創(chuàng)建功能塊對話框”產(chǎn)生的，在一般情況下，無須添加和修改。“存儲專家控制器到P31”是把編輯或修改后的內(nèi)容作為P31常規(guī)控制的一部分保存起來。
(2) 基于PLC的專家控制器的產(chǎn)生過程
圖3講述了基于PLC的專家控制器的產(chǎn)生過程，該過程有以下幾個步驟:

圖 3 基于PLC的專家控制器的產(chǎn)生過程

l 首先，利用“基于PLC的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具”產(chǎn)生一個專家系統(tǒng);
l 其次，通過相應常規(guī)控制的開發(fā)平臺嵌入到常規(guī)PLC控制中，與常規(guī)控制的其它模塊一起構(gòu)成了專家控制器;
l 然后，下載專家控制器的程序(梯形圖)到常規(guī)PLC控制設備中，就能夠完成對一實際被控對象的控制任務。如圖4所示:

圖 4 基于PLC的專家控制器對實際過程的控制

4 結(jié)束語
本文所介紹的基于PLC的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具ECST具有專家控制系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，靈活的知識表示和正向、反向的推理方法，可以與常規(guī)控制相結(jié)合，構(gòu)成實時專家控制系統(tǒng)。但是，與其它新技術(shù)一樣，專家控制所要求的目標既難于全面實現(xiàn)，也難于一步到位，它仍需進一步地完善。