一款基于PLC的专家控制系统开发工具

1 引言

近半个世纪以来，经典控制理论和现代控制理论、方法和技术（简称传统控制），取得了令人瞩目的成就。但是，无论是现代控制理论还是大系统理论，其分析、综合和设计都是建立在严格和精确的数学模型基础之上的。而在科学技术和生产力高速发展的今天，人们对大规模、复杂、不确定性系统实行自动控制的要求不断提高。因此，传统的基于精确数学模型的控制理论的局限性日益明显。

（1） 传统控制所面临的难题

传统控制方法的设计和分析是建立在系统的精确模型基础上的，而实际系统由于存在复杂性、时变性、不确定性和不完全性等，一般无法获得精确的数学模型;采用传统控制理论进行系统设计时，必须提出并遵循一些苛刻的假设，而这些假设往往与实际情况不符，使得所设计的系统性能与实际情况相差很远;对某些复杂的带有时变性与不确定性的系统，即使获得了良好的控制性能，当环境条件发生变化时，其性能也会显著变差;为了提高控制性能，传统的控制理论可能变得相当复杂，从而增加了设备投资，降低了系统可靠性。

（2） 传统控制的缺陷与不足

对环境的干扰和不确定性缺乏足够的鲁棒性;

突发事件的处理需要人工的干预;

无法处理非数字和不精确的信息;

无法通过在线学习以提高自身性能。

以上因素正是传统控制技术需要突破的一些症结，于是，专家控制的基本思想就应运而生了。

2 专家控制的基本思想

专家控制是智能控制的一个重要分支，它是把专家系统的思想和方法引入控制系统及其工程应用。就其实质而言，专家控制是基于控制对象和控制规律的各种知识的总和，而且要以智能的方式使用这些知识，求得受控系统更可能地优化和实用化，它反映出智能控制的许多重要特征和功能。

2.1 专家控制的基本思想

专家控制=自动控制理论和方法+人工智能专家系统技术实际系统中存在的启发式逻辑本质上是实现控制目标的各种规律性的经验知识，这些经验知识难以用一般性的数值形式表达，而适合用符号形式加以描述;再者，这些经验知识既不能简单的罗列，有难以用用解析的方法综合，因而必须给予恰当的组织，并能自动地进行推理，人工智能中的专家技术恰恰为这种经验知识的表示和处理提供了有效办法。

人工智能领域中发展起来的专家系统是一种基于知识的、智能的计算机程序系统。

（1） 专家系统的两个要素

知识库：存储有某个专门领域中事先总结的按某种格式表示的专家水平的知识条目。

推理机制：按照类似专家水平的问题求解方法，调用知识库中的条目进行推理、判断和决策。

专家系统的知识库和推理机制在组织结构上分离建造，而在运行过程中又相互作用，这使得系统具有较大的灵活性：知识的增删、修正和更新独立于推理机制，具有很好的透明性—推理的结论和根据可以与系统外部交互。

总之，专家系统将专门领域的问题求解思路、经验、方式组织成一个实际运行的形式系统，表现出一种拟人的智能性，它与传统的自动控制理论和方法的结合，形成了专家控制的基本思想。

将专家系统技术引入控制领域，首先必须把控制系统看成一个基于知识的系统，而作为系统的核心部件的控制器则要体现知识推理的机制和结构。

知识库内部的组织结构可采用人工智能中知识表示的合适方法，其中，一部分知识可称为数据，例如事实（先验知识）、证据（动态信息）、假设（由事实、证据推得的中间状态）和目标（离线设定的或在线建立的性能指标）、数据组织在一起，形成数据库。另一部分知识可称为规则，即定性的推理知识，它们往往表示为产生式规则，组成知识库，在专家控制中，定量知识，即各种有关的解析算法，一般都独立编码，按常规的程序设计方法组织。

推理机制的基本功能在于按某种策略选用推理规则，对于专家控制，同样可采用人工智能中的前向推理或后向推理策略。

一种典型的专家控制系统的组织结构如图1所示：

（2） 专家控制的两个特点

定量知识和定性知识分离构造。数值算法直接与受控对象或过程相连，以便得到快速的控制响应。知识系统处于较高的智能层次，实现以智能启发式逻辑推理为主的控制功能。

知识库系统。数值算法和人—机通讯三个子过程并发运行，其中，用户通过人—机接口可以直接地与知识库系统，进而间接的与数值算法交互，以便操作人员对于控制系统进行离线的修改或在线的监督、干预。
2.2 专家控制的目标与实现

专家控制系统≠专家系统

专家系统的理想目标是要实现这样一个控制器或控制系统：

（1） 满足复杂动态过程的控制需要，例如任何时变的、非线性的，受到各种干扰的控制过程;

（2） 控制系统的运行可以利用一些经验知识，而且只需要一些最少量的经验知识;

（3） 有关受控过程的知识可以不断的增加、积累，据以改进控制性能;

（4） 潜在的控制知识以透明的方式存放，易于修改和扩充;

（5） 用户可以对控制系统的性能进行定性的说明，例如“速度可能快”、“超调要小”等;

（6）用户可以访问系统的内部信息，进行交互，例如受控过程的动态特性、控制性能的统计分析、限制控制性能等因素，以及对当前采用的控制作用的解释等等。

专家控制的上述目标可以看作是一种比较含糊的功能定义，它们覆盖了传统控制在一定程度上可以达到的功能，但又超过了传统控制技术。作一个形象的比喻，专家控制是试图在控制闭环中加入一个有经验的工程师，系统能为他提供一个“控制工具箱”，即可对控制、辩识、测量、监视等各种算法选择自便，调节自如。因此，专家控制实质上是对一个“控制专家”的思路、经验、策略的模拟、延伸、扩展。

 

3 基于plc的专家控制系统开发工具

3.1 现代plc技术的发展

可编程序控制器问世以来，经过近30年的发展，产品已经发展到第四代。其技术日臻完善，应用范围也不断扩展。目前，为了适合大中小企业的不同需要，进一步扩大plc在工业自动化领域的应用范围，plc正朝着以下两个方向发展：其一是低档plc向小型、简易、廉价的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制;其二是中、高档plc向大型、高速、多功能方向发展，使之能取代工业控制微机的部分功能，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。

3.2 基于plc的专家控制系统开发工具

“基于plc的专家控制系统开发工具”（ecstv2.2）所开发出的专家控制系统是用于工业实时控制，它是专家控制与常规控制的集成，即专家控制的控制策略通过常规的控制机构来实现，从而到达智能控制与常规控制相结合。paradym-31是世界著名工控厂家wizdom公司的paradym-3（p31）工作平台，它有硬件和软件两部分组成，软件部分是基于windows操作系统逼供内具备图形化开发环境的工作平台，在图形化的编程界面下，用户可以在其中制作和调试自己的应用程序（如梯形图、顺控图、功能模块图），编译过的应用程序可下载到硬件部分进行工作;硬件部分拥有独立的cpu模块，具备实时的控制器内核。同时，通用的通讯端口可方便地与外部设备进行rs232、modbus、及以太网通讯。因此，p31可通过该通讯端口进行监视、暂停、开始、更改某一变量数值等操作，从而达到可视化的控制被控对象的目的。
（1） “基于plc的专家控制系统开发工具”结构图

“基于plc的专家控制系统开发工具”结构图如图2所示。与其它开发工具相比，“基于plc的专家控制系统开发工具”的不同之处是：在主窗口处增加了“导入专家控制器”;在编辑子窗口处，“设计专家系统”菜单下的内容又有所变化，该菜单下各项子菜单的作用如下：“创建专家系统控制器”是创建一个新的专家系统控制器，“导出专家系统控制器”是把创建好的专家系统控制器打开在“多页编辑窗口”。在“创建专家系统控制器”中，“创建功能块对话框”为用户提供了创建输入输出变量以及内部变量的接口，该窗口为用户产生了一个空的专家系统，具体实现要在“多页编辑窗口中”添加。

“多页编辑窗口中”共有五项，它们分别是“专家控制头文件”、“专家控制模块”、“控制算法集”、“动态数据库”、“知识库”。其中，需要说明的是“专家控制头文件”是由“创建功能块对话框”产生的，在一般情况下，无须添加和修改。“存储专家控制器到p31”是把编辑或修改后的内容作为p31常规控制的一部分保存起来。
（2） 基于plc的专家控制器的产生过程

图3讲述了基于plc的专家控制器的产生过程，该过程有以下几个步骤：
图 3 基于plc的专家控制器的产生过程

首先，利用“基于plc的专家控制系统开发工具”产生一个专家系统;

其次，通过相应常规控制的开发平台嵌入到常规plc控制中，与常规控制的其它模块一起构成了专家控制器;

然后，下载专家控制器的程序（梯形图）到常规plc控制设备中，就能够完成对一实际被控对象的控制任务。如图4所示：

4 结束语

本文所介绍的基于plc的专家控制系统开发工具ecst具有专家控制系统的开发环境，灵活的知识表示和正向、反向的推理方法，可以与常规控制相结合，构成实时专家控制系统。但是，与其它新技术一样，专家控制所要求的目标既难于全面实现，也难于一步到位，它仍需进一步地完善。

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