AI系列仪表的人工智能控制算法及其应用

张华林 武汉理工大学

近年来，我国工业发展速度较快，为了提高经济效益，一些工业产业扩大了生产规模，加大了控制难度，大部分控制过程机理比较复杂，并且滞后严重，结构复杂，不容易掌控。通常情况下，采用PID控制算法构建数学模型，基于此模型设计控制系统。然而在实际应用中，该系统容易受到环境因素影响，导致控制效果不佳。为此，本文提出算法改进与应用研究。

1.AI系列仪表的人工智能控制算法

AI系列的人工智能控制算法属于融合算法，是在PID算法基础上，融合了模糊控制算法。在实际应用中，如果控制误差较大，则调节模糊控制算法中的参数来调节控制方案，以此缩小误差，使得PID饱和积分得以消除；如果控制误差较小，则改进后的算法的控制效果将有所提升。该算法通过控制对象描述方法，确定两种算法的控制参数，以此提高控制精度。针对非线性结构复杂的数据，采用重置参数方法，依据自适应调节规则，在表内重置参数，以此提高系统响应速度。考虑到重置后的系统结构可能变得更加复杂，本文采用专家自整定系统加以优化，从而达到提高控制系统运行效率及准确性的目的。

2.算法改进

2.1 PID 算法

当前应用比较多的控制算法为PID算法，即：

输出=比例作用（P）+积分作用（I）+微分作用（D）

该算法在使用过程中，无法同时满足控制精度和减少超调两项要求，产生此问题的主要原因为算法结构简单，积分作用存在较大缺陷。如果减少积分的使用，将容易产生静差，受到扰动影响，误差消除速度就会放缓。如果增加积分的使用，就会引发超调，这是PID控制算法的主要问题。

2.2 PID算法改进方案

在AI系统仪表运行过程中，容易受到外界因素的影响，导致被控对象操控误差较大。针对此问题，本文采用模糊控制算法，与PID算法融合到一起，形成新的人工智能控制算法，简称MPT控制算法，该算法不存在积分问题和抗饱和问题。以下为MPI控制算法定义：

（1）保持参数，设定为M50。以输出值的50%定义M50，主要用于控制稳定后的对象测量差值。系统积分作用随着M值的增加而加强，与此同时，积分时间也将随之延长。如果M值逐渐减小，则系统作用将随之减弱，直至M值减小至0，系统积分作用才会消失。

（2）速率参数，用P表示。当仪表输出测量值减小时，P值将随之减小，具体定义如下：

通常情况下，使用自整定方法来计算，最终确定P值，该数值与微分作用、比例存在正比关系，与积分作用无关。

（3）时间参数，用T表示。主要用于定义按照某一设定的升温速率，升高到指定温度所用的时间。

在实际使用过程中，除了考虑振荡问题和超调问题，还要考虑控制响应速率。

通过调节T值，可以有效控制微分作用和比例大小。在T值逐渐增加的过程中，微分作用逐渐增强，而比例作用逐渐减弱；在T值逐渐减弱的过程中，微分作用逐渐减弱，而比例作用逐渐增强。

3.改进算法的应用分析

3.1 基于MPT的人工智能控制系统设计

本文采用MPT控制算法开发一套基于MPT的人工智能控制系统。该系统主要分析两个功能模块，其中一项功能模块为自适应功能，另外一项功能模块为专家自整定功能。

（1）自适应功能模块

利用模糊控制技术，按照模糊逻辑推理思维，编写算法思想，从而实现自适应功能，实现智能化数字控制。

通常情况下，AI系列仪表运行过程中遇到非线性控制对象，控制精度和运行效率都会受到影响。针对此问题，本文利用模糊控制算法修改输出值，以此缩小控制误差。在此过程中，保留MPT控制参数不变，消除干扰因素，使得输出值在误差范围内，达到提高控制精度的目的。另外，模糊控制技术开发出的算法结构比较简单，可以在一定程度上提高系统响应速度。

（2）专家自整定功能模块

在AI系列仪表中，引入自整定专家算法程序控制各项参数，从而为操作人员提供便利工具。自整定的设计，是采用位式控制来调节系统。如果系统在运行过程中发生震荡，则需要根据时间参进行调整，保证系统运行速度不受到较大影响的前提下，重置参数，来控制震荡幅度，依据输出值确定参数M。如果在运行过程中遇到滞后严重或者速率较小，可以通过调节周期值，达到控制速率的目的。

这种设计方案，不进可以为操作人员提供便利条件，而且还可以提高系统控制质量，实现智能化操控。

3.2 系统应用分析

相比同种类型仪表，AI仪表性价比比较高，是否能够发挥应用价值，取决于控制算法。本文将设计的MPT算法应用到温度控制系统开发中展开应用分析。

在温度控制系统中，AI仪表由4个相互独立的PID调节电路构成，支持同时下发控制命令。下达控制命令以后，系统将自动采集温度信息，如果测量温度不在设定范围内，依据温度差值，驱动温度控制装置，从而达到温控目的。应用结果表明，本文开发的温度控制系统误差为 ℃，在误差允许范围之内，满足系统开发需求。

总结：本文主要对传统的PID 算法进行研究分析，针对控制精度低、运行速率较慢问题，采用模糊控制算法，与PID算法融为一体，形成MPT控制算法。利用此算法开发一套基于MPT的人工智能控制系统，该系统由自适应功能模块、专家自整定功能模块构成。应用结果表明，温度控制系统误差为 ℃，满足系统开发需求。