8.1智能制造系統(tǒng)與典型控制方法戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造目錄CONTENTS8.1.1

智能制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介8.1.2

智能傳感器功能與特點(diǎn)8.1.3

典型智能控制方法8.1.1

智能制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1所謂智能制造，就是面向產(chǎn)品全生命周期，實(shí)現(xiàn)泛在感知條件下的信息化制造。在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、擬人化智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)智能化的感知、人機(jī)交互、決策和執(zhí)行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程和制造裝備智能化，是信息技術(shù)、智能技術(shù)與裝備制造技術(shù)的深度融合與集成。智能制造是基于新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，運(yùn)用人工智能技術(shù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，借助計(jì)算機(jī)模擬人類(lèi)專(zhuān)家的智能活動(dòng)進(jìn)行分析、推理、判斷等，實(shí)現(xiàn)科學(xué)決策、智能設(shè)計(jì)、合理排產(chǎn)，其基本特征是生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化。8.1.1智能制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介1.智能制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2智能制造系統(tǒng)一般由信息層級(jí)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵新一代技術(shù)結(jié)構(gòu)組成。信息層級(jí)結(jié)構(gòu)主要包括：規(guī)劃管理層、設(shè)備層、感知與控制層、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控層、制造運(yùn)行管理層等。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)主要包括：企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、傳感器與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)。關(guān)鍵新一代技術(shù)主要包括：人工智能技術(shù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。圖8-1智能制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成8.1.2

智能傳感器功能與特點(diǎn)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造3傳感器被譽(yù)為實(shí)現(xiàn)智能控制的基石，在現(xiàn)代制造過(guò)程中，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和產(chǎn)品加工質(zhì)量很大程度上取決于所用傳感器的水平。特別是對(duì)實(shí)現(xiàn)成形過(guò)程智能化而言，需要配置傳感器進(jìn)行裝備運(yùn)行狀態(tài)與產(chǎn)品質(zhì)量信息的反饋，以保證成形過(guò)程的穩(wěn)定性，提高成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率。智能傳感器技術(shù)已成為先進(jìn)成形過(guò)程中實(shí)現(xiàn)感知環(huán)境、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、信息處理的核心技術(shù)之一。圖8-2

智能傳感器基本結(jié)構(gòu)框圖1.智能傳感器的概念智能傳感器是一種帶微處理器的兼具信息檢測(cè)、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能的傳感器。

相對(duì)于傳統(tǒng)傳感器，智能傳感器集感知、信息處理、通信于一體，可實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、自診斷等處理功能。智能傳感器主要由傳感器、微處理器和相關(guān)電路構(gòu)成。其中，傳感器負(fù)責(zé)信號(hào)的獲取，微處理器通過(guò)輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理得到特定的輸出結(jié)果，利用外部網(wǎng)絡(luò)接口模塊與外部系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。8.1.2智能傳感器功能與特點(diǎn)2.智能傳感器的功能：戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造41）信息處理與傳輸功能。基于微處理器的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，智能傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物理量的特征分析與參數(shù)變換。同時(shí)，智能傳感器內(nèi)容集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，能夠直接輸出數(shù)字信號(hào)。2）自補(bǔ)償和計(jì)算功能。智能傳感器的自補(bǔ)償和計(jì)算功能為傳感器的漂移和非線性補(bǔ)償提供了新途徑，即通過(guò)微處理器對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行軟件計(jì)算，采用多次擬合和差值計(jì)算方法能對(duì)傳統(tǒng)傳感器的非線性、溫度漂移、時(shí)間漂移以及環(huán)境影響因素引起的信號(hào)失真進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。8.1.2智能傳感器功能與特點(diǎn)2.智能傳感器的功能：戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造53）自檢、自校、自診斷功能。智能傳感器通過(guò)其故障診斷軟件和自檢測(cè)軟件，自動(dòng)對(duì)傳感器和系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行定期和不定期的檢測(cè)、測(cè)試。4）自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)功能。智能傳感器可以通過(guò)編輯算法使傳感器具有學(xué)習(xí)功能，利用近似公式和迭代算法認(rèn)知新的被測(cè)量值，即有再學(xué)習(xí)能力。5）多參數(shù)測(cè)量功能。智能傳感器設(shè)有多種模塊化的硬件和軟件，具有復(fù)合測(cè)量功能，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，可選擇其模塊的組合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多傳感單元、多參數(shù)的測(cè)量，給出能夠較全面反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的信息。8.1.2智能傳感器功能與特點(diǎn)3.智能傳感器的特點(diǎn)：戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造61）測(cè)量精度高。智能傳感器具有信息處理功能，可通過(guò)軟件修正各種確定性系統(tǒng)誤差，還可適當(dāng)補(bǔ)償隨機(jī)誤差、降低噪聲，提高了傳感器的測(cè)量精度2）可靠性與穩(wěn)定性高。集成傳感器系統(tǒng)小型化，消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的某些不可靠因素，改善整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾件能力。同時(shí)，具有實(shí)時(shí)自檢、自動(dòng)診斷、校淮和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能，保障了傳感器使用過(guò)程中的可靠性與穩(wěn)定性。3）信噪比與分辨力高。智能傳感器具有信息處理、信息存儲(chǔ)和記憶功能，通過(guò)信息處理可以去除測(cè)量數(shù)據(jù)中的噪聲，將有用信號(hào)提取出來(lái)；通過(guò)信息處理中的數(shù)據(jù)融合可以消除多參數(shù)測(cè)量狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，保證在多參數(shù)狀態(tài)下對(duì)特定參數(shù)測(cè)量時(shí)具有高的分辨率。4）組態(tài)功能與自適應(yīng)性強(qiáng)。智能傳感器可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)綜合測(cè)量，有一定的自適應(yīng)能力，可根據(jù)檢測(cè)對(duì)象或條件的改變，相應(yīng)地改變量程反輸出數(shù)據(jù)的形式。同時(shí)它具有判斷分析與處理功能，能根據(jù)系統(tǒng)工作情況決策各部分的供電，使系統(tǒng)工作在最優(yōu)功耗狀態(tài)，也可優(yōu)化與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳送速率等。5）性價(jià)比高。智能傳感器主要是通過(guò)軟件而不是硬件實(shí)現(xiàn)傳感測(cè)量功能，以嵌入式微處理器為核心，集成了傳感單元、信號(hào)處理單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元，能夠?qū)⒏鞣N現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)直接在有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳輸、發(fā)布與共享。8.1.3典型智能控制方法1.PID控制戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造7PID控制基本介紹：PID控制（PID調(diào)節(jié)）是一種常用于工業(yè)自動(dòng)化中的反饋控制算法，主要用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出以使其盡可能接近期望的目標(biāo)值。PID代表比例（proportion）、積分（integral）、微分（differential）控制，這三個(gè)術(shù)語(yǔ)表示了PID控制的三個(gè)基本組成部分。比例（P）控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。積分（I）控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。微分（D）控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。圖8-3PID算法示意圖8.1.3典型智能控制方法1.PID控制戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造8（1）比例（P）控制原有部分的傳遞函數(shù)為：比例控制器的傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可表示為：比例（P）控制特點(diǎn)1）系統(tǒng)屬于I型系統(tǒng)，位置誤差系數(shù)為無(wú)窮大，速度誤差系數(shù)則是

2）系統(tǒng)在斜坡函數(shù)形式的輸入作用下，其穩(wěn)態(tài)誤差的終值與成反比。

3）若減小穩(wěn)態(tài)誤差，須增大比例系數(shù)，使閉環(huán)控制系統(tǒng)的一對(duì)復(fù)數(shù)極點(diǎn)的虛部增大，從而系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)有較大的超調(diào)和強(qiáng)烈的振蕩過(guò)程，即單純的比例控制較難兼顧系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩方面的性能要求。比例控制是借助比例校正裝置(或稱(chēng)比例控制器，P控制器)而實(shí)現(xiàn)的。圖8-4比例控制器系統(tǒng)圖8-5比例控制時(shí)系統(tǒng)的根軌跡

8.1.3典型智能控制方法1.PID控制戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造9（2）比例微分（PD）控制當(dāng)被控變量發(fā)生偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)增量與偏差大小及偏差對(duì)時(shí)間的微分（偏差變換速度）成正比。原有部分的傳遞函數(shù)為：比例微分控制器的傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可表示為：圖8-6比例微分控制器系統(tǒng)

8.1.3典型智能控制方法31.PID控制戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造10（2）比例微分（PD）控制圖8-7比例微分控制時(shí)系統(tǒng)的根軌跡

比例微分（PD）控制特點(diǎn)1）由于de(t)/dt是e(t)隨時(shí)間的變化率，所以微分控制實(shí)質(zhì)上是一種“預(yù)見(jiàn)”型控制。2）只有當(dāng)穩(wěn)態(tài)誤差隨時(shí)間而變化時(shí)，微分控制才會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差起作用。3）微分控制可測(cè)量出e(t)的瞬時(shí)變化率，提前預(yù)見(jiàn)到這一過(guò)大的超調(diào)，因而在超調(diào)出現(xiàn)之前產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)男Ｕ饔谩D8-8參量平面圖8.1.3典型智能控制方法1.PID控制戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造11（3）積分（I）控制將具有積分控制規(guī)律的控制稱(chēng)為積分（I）控制。積分（I）控制特點(diǎn)1）在控制器中引入“積分項(xiàng)”可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。2）積分環(huán)節(jié)主要是用來(lái)消除靜差，即系統(tǒng)穩(wěn)定后輸出值和設(shè)定值之間的差值，積分環(huán)節(jié)實(shí)際上就是偏差累計(jì)的過(guò)程，把累計(jì)的誤差加到原有系統(tǒng)上以抵消系統(tǒng)造成的靜差。比例控制器的傳遞函數(shù)：8.1.3典型智能控制方法1.PID控制戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造12（4）比例積分（PI）控制如圖8-10所示，是一個(gè)采用串聯(lián)比例積分（PI）校正裝置的二階反饋控制系統(tǒng)框圖。其中原有部分的傳遞函數(shù)與比例控制的相同。比例積分校正裝置的傳遞函數(shù)：圖8-9比例積分控制系統(tǒng)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：8.1.3典型智能控制方法31.PID控制戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造13（4）比例積分（PI）控制圖8-11選定后以為變量的根軌跡

比例積分（PI）控制特點(diǎn)

圖8-12選定后以為變量的根軌跡1）積分控制的作用是把原來(lái)的I型系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為Ⅱ型系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差得到本質(zhì)性的改善。例如：在斜坡函數(shù)輸入下，原I型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為常量，但采用積分控制后，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差將為零。2）比例積分控制中比例系數(shù)

的取值不再依據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的要求，而是選取適當(dāng)?shù)?/p>

與

使得系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)存在一個(gè)需要的零點(diǎn)，從而得到滿意的暫態(tài)響應(yīng)。圖8-4比例控制器系統(tǒng)圖8-10比例微分控制器系統(tǒng)8.1.3典型智能控制方法戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造14圖8-13模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖1.PID控制（5）比例積分微分（PID）控制PID控制器(比例-積分-微分控制器)是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見(jiàn)的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。

比例積分（PI）控制特點(diǎn)1）PID控制的基礎(chǔ)是比例控制；積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調(diào)；微分控制可加快大慣性系統(tǒng)響應(yīng)速度以及減弱超調(diào)趨勢(shì)。2）PID中積分和微分都不能單獨(dú)起作用，必須與比例控制配合，但并不是必須同時(shí)具備這三種算法，也可以是PD，PI，甚至只有P算法控制。8.1.3典型智能控制方法2.模糊邏輯控制戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造15（1）模糊集合與模糊變換模糊集合是用來(lái)表達(dá)模糊性概念的集合。是指具有某個(gè)模糊概念所描述的屬性的對(duì)象的全體。模糊變換就是一個(gè)論域的模糊冪集到另一個(gè)論語(yǔ)的模糊冪集上的映射。模糊變換的基本運(yùn)算如果A和B是論域U中的兩個(gè)模糊集，對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)分別為

和

，則存在如下基本運(yùn)算：1）A和B的并集，記為

，則隸屬函數(shù)定義為：2）A和B的交集，記為，則隸屬函數(shù)定義為：3）A的補(bǔ)集，記為，則隸屬函數(shù)定義為：4）若U、V為兩個(gè)模糊集合，則其直積U×V中的一個(gè)模糊子集R成為從U到V的模糊關(guān)系或模糊變換，可表示為：8.1.3典型智能控制方法2.模糊邏輯控制戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造16（2）模糊推理與模糊判決模糊推理是從一種當(dāng)前狀態(tài)物理值到規(guī)范論域的標(biāo)度變換。模糊判決（清晰化）是通過(guò)模糊推理得到的模糊集合中取一個(gè)最能代表這個(gè)模糊集合的單值過(guò)程。模糊推理的方法1）Zadeh推理：2）Mamdani推理：模糊判決的方法1）重心法：取模糊隸屬函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心作為代表點(diǎn)的方法。2）最大隸屬度法：在推理結(jié)論的模糊集合中取隸屬度最大的那個(gè)元素作為輸出量的方法。3）隸屬度限幅元素平均法：用所確定的隸屬度值對(duì)隸屬函數(shù)曲線進(jìn)行切割，再對(duì)切割后等于該隸屬度的所有元素進(jìn)行平均，用這個(gè)平均值作為輸出執(zhí)行量的方法。8.1.3典型智能控制方法2.模糊邏輯控制戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造17模糊控制器包括模糊化、模糊推理、解模糊和知識(shí)庫(kù)。作用是將給定值和系統(tǒng)輸出的反饋送入模糊控制器（FC）后，解算出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)。圖8-14模糊控制系統(tǒng)組成

模糊控制過(guò)程包括尺度變換、模糊處理、知識(shí)庫(kù)建立、模糊推理、清晰化。3）模糊控制系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)作用與分類(lèi)作用：知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)有關(guān)模糊化、模糊推理、解模糊的一切知識(shí)，如模糊化中論域的變換方法、輸入變量隸屬函數(shù)的定義、模糊推理算法、解模糊算法、輸出變量各模糊集的隸屬函數(shù)定義等。分類(lèi)：知識(shí)庫(kù)分為數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)。1）數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括各語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)、尺度變換因子及模糊空間的分級(jí)數(shù)等。2）規(guī)則庫(kù)包括用模糊語(yǔ)言變量表示的一系列控制規(guī)則，它們反映了控制專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。8.1.3典型智能控制方法3.機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造18人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork，ANN）是模擬人腦思維方式的數(shù)學(xué)模型。用于模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和行為，以及分布式工作特點(diǎn)和自組織功能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)學(xué)習(xí)來(lái)獲取外部知識(shí)并存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，特別是信息的理解、知識(shí)的處理、組合優(yōu)化計(jì)算和智能控制等一系列本質(zhì)上非計(jì)算的問(wèn)題。（1）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)8.1.3典型智能控制方法3.機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造19（1）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖8-15中

稱(chēng)為閾值，

表示神經(jīng)元j到神經(jīng)元i的連接權(quán)系數(shù)

，

稱(chēng)為輸出變換函數(shù)。變換函數(shù)實(shí)際上是神經(jīng)元模型的輸出函數(shù)，用于模擬神經(jīng)細(xì)胞的興奮、抑制及閾值等非線性特性，經(jīng)過(guò)加權(quán)加法器和線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)空整合得到信號(hào)

，再經(jīng)變換函數(shù)

后得到神經(jīng)元的輸出

。圖8-15人工神經(jīng)元模型1）單神經(jīng)元模型8.1.3典型智能控制方法3.機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造20常用的變換函數(shù)有符號(hào)函數(shù)、飽和函數(shù)、閾值函數(shù)、Sigmoid函數(shù)以及高斯函數(shù)等。

（1）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1）單神經(jīng)元模型8.1.3典型智能控制方法3.機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造21（1）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1）連接方式與學(xué)習(xí)方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接方式分為兩種形式：前饋網(wǎng)絡(luò)、反饋網(wǎng)絡(luò)。此外，還有混合型和網(wǎng)狀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。1）前饋網(wǎng)絡(luò)：神經(jīng)元分層排列，組成輸入層、隱含層和輸出層；每層的神經(jīng)元只接受前一層神經(jīng)元的輸入；在各神經(jīng)元之間不存在反饋。2）反饋網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在輸出層到輸入層之間存在反饋，輸入信號(hào)決定反饋系統(tǒng)的初始狀態(tài)。3）混合型網(wǎng)絡(luò)：前饋網(wǎng)絡(luò)的同一層的神經(jīng)元之間有互連的結(jié)構(gòu)形式。4）網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)：各神經(jīng)元都有可能相互連接，所有神經(jīng)元既是輸入又是輸出。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)方法主要包括有教師學(xué)習(xí)、無(wú)教師學(xué)習(xí)、再勵(lì)學(xué)習(xí)。1）有教師學(xué)習(xí)：網(wǎng)絡(luò)的輸出和期望的輸出（即教師信號(hào)）進(jìn)行比較，根據(jù)兩者之間的差異來(lái)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，最終使差異變小。2）無(wú)教師學(xué)習(xí)：輸入模式進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)按照預(yù)先設(shè)定的規(guī)則（如競(jìng)爭(zhēng)規(guī)則）自動(dòng)調(diào)整權(quán)值，使網(wǎng)絡(luò)最終具有模式識(shí)別、分類(lèi)等功能。3）再勵(lì)學(xué)習(xí)：對(duì)系統(tǒng)的輸出結(jié)果只給出評(píng)價(jià)（獎(jiǎng)或罰）而不給出正確答案，學(xué)習(xí)系統(tǒng)通過(guò)強(qiáng)化那些受獎(jiǎng)勵(lì)的動(dòng)作來(lái)改善自身性能，外部提供的信息少，其需靠自身經(jīng)歷來(lái)學(xué)習(xí)、獲取知識(shí)。8.1.3典型智能控制方法3.機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造224）知識(shí)表示與推理（1）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3）典型模型1）ARP網(wǎng)絡(luò)：有教師學(xué)習(xí)方法，使用隨機(jī)增大率學(xué)習(xí)規(guī)則、反向傳播方式，主要應(yīng)用在模式識(shí)別方面。2）ART網(wǎng)絡(luò)：無(wú)教師學(xué)習(xí)方法，使用競(jìng)爭(zhēng)率學(xué)習(xí)規(guī)則、反向傳播方式，主要應(yīng)用在分類(lèi)方面。3）BAM網(wǎng)絡(luò)：無(wú)教師學(xué)習(xí)方式，使用Hebb／競(jìng)爭(zhēng)率學(xué)習(xí)規(guī)則、反向傳播方式，主要應(yīng)用在圖像處理方面。4）BP網(wǎng)絡(luò)：有教師學(xué)習(xí)方式，使用誤差修正學(xué)習(xí)規(guī)則、反向傳播方式，主要應(yīng)用在分類(lèi)方面。5）CPN網(wǎng)絡(luò)：有教師學(xué)習(xí)方式，使用Hebb率學(xué)習(xí)規(guī)則、反向傳播方式，主要應(yīng)用在自組織映射方面。7）感知器：有教師學(xué)習(xí)方式，使用誤差修正學(xué)習(xí)規(guī)則、正向傳播方式，主要應(yīng)用在分類(lèi)和預(yù)測(cè)方面。6）LAM網(wǎng)絡(luò)：有教師學(xué)習(xí)方式，使用Hebb率學(xué)習(xí)規(guī)則、正向傳播方式，主要應(yīng)用在系統(tǒng)控制方面。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)表示隱藏在權(quán)值和閾值中，經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程，將知識(shí)通過(guò)對(duì)權(quán)值和閾值的訓(xùn)練，擬合出對(duì)復(fù)雜過(guò)程的模型來(lái)實(shí)現(xiàn)知識(shí)表示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理就是在訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算。8.1.3典型智能控制方法3.機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造23（2）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)辨識(shí)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)辨識(shí)是指可在已知常規(guī)模型結(jié)構(gòu)的情況下估計(jì)模型的參數(shù)，或利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的線性、非線性特性來(lái)建立線性、非線性系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、逆動(dòng)態(tài)及預(yù)測(cè)模型。辨識(shí)就是根據(jù)輸入和輸出的數(shù)據(jù)，從一組給定的模型中確定一個(gè)與所測(cè)系統(tǒng)等價(jià)的模型。辨識(shí)有三大要素：數(shù)據(jù)、模型類(lèi)、等價(jià)準(zhǔn)則。1）數(shù)據(jù)：能觀測(cè)到的被辨識(shí)系統(tǒng)的輸入／輸出數(shù)據(jù)。2）模型類(lèi)：待尋找模型的范圍。一般選擇能逼近原系統(tǒng)的最簡(jiǎn)模型。3）等價(jià)準(zhǔn)則：辨識(shí)的優(yōu)化目標(biāo)，用來(lái)衡量模型與實(shí)際系統(tǒng)的接近情況。8.1.3典型智能控制方法33.機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造24（2）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)辨識(shí)

辨識(shí)的分類(lèi)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)包括系統(tǒng)正模型辨識(shí)和逆模型辨識(shí)。正模型辨識(shí)包括并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串并聯(lián)結(jié)構(gòu)兩種，如圖8-16（a）（b）所示，被辨識(shí)系統(tǒng)輸出與模型輸出的偏差不用于辨識(shí)修正過(guò)程。逆模型辨識(shí)包括前向結(jié)構(gòu)和反饋結(jié)構(gòu)，如圖8-16（c）（d）所示，被辨識(shí)系統(tǒng)輸出與模型輸出的偏差用于辨識(shí)修正過(guò)程，逐步修正模型，以減小模型誤差。（a）并聯(lián)結(jié)構(gòu)

（b）串并聯(lián)結(jié)構(gòu)

（c）前向結(jié)構(gòu)

（d）反饋結(jié)構(gòu)

8.1.3典型智能控制方法3.機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造25（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)對(duì)不確定系統(tǒng)或未知系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制，使控制系統(tǒng)達(dá)到所要求的動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)特性。1）獨(dú)立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制：以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)而形成的獨(dú)立智能控制系統(tǒng)。2）混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制：利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和優(yōu)化能力來(lái)改善傳統(tǒng)控制的智能控制方法。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制器中的作用不同，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器可分為兩類(lèi)：

用評(píng)價(jià)函數(shù)作為性能指標(biāo)，調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的權(quán)值，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）通過(guò)評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，性能指標(biāo)為零時(shí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器即對(duì)象的逆模型。

若，則在理論上可做到。輸出跟蹤輸入的精度取決于逆模型的精確程度。圖8-16神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制框圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制8.1.3典型智能控制方法3.機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造26（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制圖8-17神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制框圖圖8-18神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID控制1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器是前饋控制器，建立被控對(duì)象的逆模型。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制的特點(diǎn)：傳統(tǒng)控制的輸出是傳統(tǒng)控制器輸入e的函數(shù)，e是輸入與輸出偏差，系統(tǒng)輸出y是系統(tǒng)輸入u的函數(shù)，因此最終是網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的函數(shù)，故可通過(guò)使逐漸趨于零來(lái)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值。2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器基于傳統(tǒng)控制器的輸出，在線學(xué)習(xí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，使反饋控制輸入趨近于零，從而使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器逐漸在控制作用中占據(jù)主導(dǎo)地位，最終取消反饋控制器的作用。3）一旦系統(tǒng)出現(xiàn)干擾，反饋控制器就重新起作用。4）可確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，有效提高系統(tǒng)的精度和自適應(yīng)能力。單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器通過(guò)對(duì)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自組織功能。5）單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制選線性激活函數(shù)，控制算法為：THANKS8.2云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造目錄CONTENTS8.2.1云計(jì)算和云服務(wù)技術(shù)8.2.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)8.2.1

云計(jì)算和云服務(wù)技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1云計(jì)算的概念通俗理解：云計(jì)算的“云”就是存在于互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器集群上的資源，它包括硬件資源（服務(wù)器、存儲(chǔ)器、中央處理器等）和軟件資源（如應(yīng)用軟件、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境等）。云計(jì)算基礎(chǔ)構(gòu)架云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)廣泛采用包括計(jì)算虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等虛擬化技術(shù)，并通過(guò)虛擬化層，屏蔽硬件層自身的差異和復(fù)雜度，向上呈現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)化、可靈活擴(kuò)展和收縮、彈性的虛擬化資源池。8.2.1云計(jì)算和云服務(wù)技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2云計(jì)算通過(guò)虛擬化整合與自動(dòng)化，應(yīng)用系統(tǒng)共享基礎(chǔ)架構(gòu)資源池，實(shí)現(xiàn)高利用率、高可用性、低成本與低能耗。并通過(guò)平臺(tái)層的自動(dòng)化管理

，構(gòu)建易于擴(kuò)展、智能管理的云服務(wù)模式。云計(jì)算的虛擬化技術(shù)按應(yīng)用可分為：2）桌面虛擬化：將計(jì)算機(jī)的終端系統(tǒng)（也稱(chēng)為桌面）進(jìn)行虛擬化，以達(dá)到桌面使用的安全性和靈活性。3）應(yīng)用虛擬化：將各種應(yīng)用發(fā)布在服務(wù)器上，客戶通過(guò)授權(quán)之后就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接使用，獲得如同在本地運(yùn)行應(yīng)用程序一樣的體驗(yàn)。4）存儲(chǔ)虛擬化：將整個(gè)云系統(tǒng)的存儲(chǔ)資源進(jìn)行統(tǒng)一整合管理，為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)空間。5）網(wǎng)絡(luò)虛擬化：讓一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)支持多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，虛擬化保留了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中原有的層次結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通道和所能提供的服務(wù)，使得最終用戶的體驗(yàn)和獨(dú)享物理網(wǎng)絡(luò)一樣，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)還可以高效地利用如空間、能源、設(shè)備容量等網(wǎng)絡(luò)資源。1）服務(wù)器虛擬化：將虛擬化技術(shù)應(yīng)用于服務(wù)器上，將一臺(tái)或多臺(tái)服務(wù)器虛擬化為若干服務(wù)器使用。8.2.1云計(jì)算和云服務(wù)技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造3云服務(wù)主要分為三個(gè)層次：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)、平臺(tái)即服務(wù)及軟件及服務(wù)。1）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)：關(guān)鍵技術(shù)包含計(jì)算虛擬化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)、云存儲(chǔ)技術(shù)。2）平臺(tái)即服務(wù)：關(guān)鍵技術(shù)包含分布式技術(shù)、隔離與安全技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)。3）軟件即服務(wù)：關(guān)鍵技術(shù)包含自動(dòng)部署技術(shù)、元數(shù)據(jù)技術(shù)和多租戶技術(shù)。云服務(wù)部署形式有公有云、私有云、混合云服務(wù)三種。基于互聯(lián)網(wǎng)的公有云服務(wù)對(duì)社會(huì)開(kāi)放，私有云服務(wù)提供服務(wù)主要基于企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)入口，不開(kāi)放外部用戶。私有云將IT資源整合使企業(yè)IT成本降低，資源利用率有效提高，實(shí)現(xiàn)企業(yè)運(yùn)行效率的提升。混合云服務(wù)整合公有云與私有云，并為內(nèi)外部用戶同時(shí)提供服務(wù)，通常采用VPN等技術(shù)打通公有云與私有云環(huán)境，利用安全技術(shù)措施為云環(huán)境提供安全保障。8.2.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造4物聯(lián)網(wǎng)的理解性概念物聯(lián)網(wǎng)的細(xì)致性概念廣義：物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)未來(lái)發(fā)展的愿景，等同于“未來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)”或者“泛在網(wǎng)絡(luò)”，能夠?qū)崿F(xiàn)人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，使用任何網(wǎng)絡(luò)與任何人與物的信息交換以及物與物之間的信息交換。狹義：物聯(lián)網(wǎng)是物品之間通過(guò)傳感器連接起來(lái)的局域網(wǎng)，不論是否接入互聯(lián)網(wǎng)，都屬于物聯(lián)網(wǎng)的范疇。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系，不同的專(zhuān)家學(xué)者對(duì)物聯(lián)網(wǎng)給出了不同的定義，歸納為如下4種類(lèi)型。1）物聯(lián)網(wǎng)是傳感網(wǎng)而不接入互聯(lián)網(wǎng)。2）物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的一部分。3）物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)。4）物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)。總而言之，物聯(lián)網(wǎng)都需要對(duì)物體具有全面感知能力，對(duì)信息具有可靠傳送和智能處理能力，從而形成一個(gè)連接物體與物體的信息網(wǎng)絡(luò)。THANKS8.3金屬成形智能控制典型應(yīng)用戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造目錄CONTENTS8.3.1鑄造成形過(guò)程中的PID控制

8.3.2

快速自由鍛液壓機(jī)的智能控制8.3.3

軋制成形過(guò)程中的智能控制8.3.4

焊接過(guò)程中的智能控制8.3.1鑄造成形過(guò)程中的PID控制1.差壓鑄造系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2

差壓鑄造機(jī)由上、下壓力罐組成。鑄型在機(jī)外制成后放入機(jī)內(nèi)，上罐緊扣在下罐上并鎖緊。壓縮空氣同時(shí)引入上下罐內(nèi)，鑄件在同步壓力下凝固。開(kāi)啟上下罐間的互通閥，確保同步壓力，防止液體金屬因壓力不同步而產(chǎn)生廢品。達(dá)到要求的同步壓力后關(guān)閉互通閥，停止進(jìn)氣。通過(guò)上罐排氣建立上、下罐間的壓差。坩堝置于下罐內(nèi)，液體金屬在壓差作用下沿升液管上升。

設(shè)備組成與工作過(guò)程：

壓差控制方法：1）沿升液管上升過(guò)程中，使用差壓變送器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換壓差為氣壓信號(hào)，再轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。2）通過(guò)PID運(yùn)算后輸出給電氣閥門(mén)定位器，調(diào)節(jié)薄膜調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，控制上罐的排氣量.3）確保上下罐間的壓差始終符合要求，以保證液體金屬獲得所需的上升速度.圖8-20差壓鑄造系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖圖8-21液面加工工藝曲線8.3.1鑄造成形過(guò)程中的PID控制戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造32.控制系統(tǒng)的組成圖8-22微機(jī)控制差壓鑄造生產(chǎn)過(guò)程示意圖按其主要功能可分為以下五個(gè)部分：1）工藝過(guò)程控制器此控制器：不斷檢測(cè)各開(kāi)關(guān)量的變化，并產(chǎn)生控制工藝流程的指令，為系統(tǒng)的正常工作提供一個(gè)邏輯時(shí)序。2）加壓工藝曲線發(fā)生器：根據(jù)差壓鑄造過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，不斷產(chǎn)生相應(yīng)時(shí)刻加壓工藝要求的給定壓差值，此功能由軟件程序完成。

3）A/D與D/A轉(zhuǎn)換器。

4）調(diào)節(jié)算法：根據(jù)工藝曲線設(shè)定值與壓差采樣值的偏差，按PID調(diào)節(jié)算法運(yùn)算，然后把運(yùn)算結(jié)果作為調(diào)節(jié)信號(hào)輸出。5）工藝參數(shù)的設(shè)定：為使工藝過(guò)程按制定的工藝要求進(jìn)行和達(dá)到滿意的控制精度，須將有關(guān)工藝參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)。圖8-24差壓鑄造微機(jī)控制原理8.3.1鑄造成形過(guò)程中的PID控制3.

加壓工藝曲線的數(shù)學(xué)模型及調(diào)節(jié)算法戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造4式中?pi——第i段差值；ρ——液體金屬密度；A——坩堝截面積；Ai——型腔第i段處截面積；vi——型腔第i段上要求的液體金屬充型速度；θ——?dú)怏w升壓速度補(bǔ)償系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定；g——重力加速度。

加壓工藝曲線的數(shù)學(xué)模型：

氣體升壓速度

和液體金屬充型速度

間有下列關(guān)系：8.3.1鑄造成形過(guò)程中的PID控制3.加壓工藝曲線的數(shù)學(xué)模型及調(diào)節(jié)算法戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造5

系統(tǒng)采用了非線性抗積分飽和型位置式PID調(diào)節(jié)算法。積分飽和是閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能按調(diào)節(jié)規(guī)律動(dòng)作所產(chǎn)生的失控現(xiàn)象，引起了被控量大幅度超調(diào)振蕩或調(diào)節(jié)遲鈍，系統(tǒng)中采用了積分分離算法防止積分飽和失控。調(diào)節(jié)算法：由于采用了微機(jī)控制，使系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了下列功能：(1)可以任意給定液體充填鑄型速度，(2)可人為給定結(jié)殼壓力、結(jié)殼時(shí)間、保壓壓力及保壓時(shí)間；(3)補(bǔ)償鑄型反壓力：鑄型內(nèi)設(shè)置了一些觸點(diǎn)，微機(jī)可自動(dòng)快速計(jì)算兩觸點(diǎn)間液體金屬平均上升速度和反壓力值，并自動(dòng)調(diào)節(jié)氣體加壓速率，以補(bǔ)償反壓力對(duì)液體金屬充填鑄型速度的影響；(4)信息巡回檢測(cè)與處理：控制系統(tǒng)按一定的采樣周期不斷檢測(cè)系統(tǒng)中工作對(duì)象的信息狀態(tài)變化并及時(shí)進(jìn)行處理；(5)信息顯示與打印。8.3.2快速自由鍛液壓機(jī)的智能控制戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造6圖8-25四柱快鍛液壓機(jī)圖8-26雙柱快鍛液壓機(jī)

快速自由鍛液壓機(jī)是由壓機(jī)本體、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、機(jī)械化輔助設(shè)備和不同種類(lèi)的鍛造工具等組成。

按機(jī)架結(jié)構(gòu)和布置方式可分為四柱和雙柱斜置式。1.液壓控制系統(tǒng)8.3.2快速自由鍛液壓機(jī)的智能控制戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造71.液壓控制系統(tǒng)快速自由鍛液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)以優(yōu)化和節(jié)能方式適應(yīng)鍛造程序不斷變化的要求，系統(tǒng)壓力按照鍛件材料的變形阻力大小相應(yīng)變化，使電能的消耗減少到最小，并可在最大工作壓力下連續(xù)壓下，特別適用于執(zhí)行高壓連續(xù)和間隙式壓力工作程序。液壓系統(tǒng)的動(dòng)力泵站集中設(shè)置在鍛造車(chē)間內(nèi)靠近鍛造壓機(jī)的封閉的泵房?jī)?nèi)。整個(gè)泵站由油箱裝置、循環(huán)加熱/冷卻/過(guò)濾(HCF)系統(tǒng)、控制泵和保壓泵系統(tǒng)、主泵供油增壓和軸承沖洗系統(tǒng)、主泵組和電動(dòng)機(jī)與泵頭集成控制閥塊、管路系統(tǒng)等組成循環(huán)加熱/冷卻/過(guò)濾(HCF)系統(tǒng)是保證設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵，系統(tǒng)的介質(zhì)油的清潔度必須達(dá)到使用元件的要求，主系統(tǒng)≤NAS8級(jí)，控制系統(tǒng)≤NAS6級(jí)。熱電偶溫度變送器檢測(cè)和采集主油箱油的溫度。油箱油溫通過(guò)溫度信號(hào)進(jìn)行控制，保證液壓系統(tǒng)在正常的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行工作。液壓系統(tǒng)的動(dòng)力泵站集中設(shè)置在鍛造車(chē)間內(nèi)靠近鍛造壓機(jī)的封閉的泵房?jī)?nèi)。整個(gè)泵站由油箱裝置、循環(huán)加熱/冷卻/過(guò)濾(HCF)系統(tǒng)、控制泵和保壓泵系統(tǒng)、主泵供油增壓和軸承沖洗系統(tǒng)、主泵組和電動(dòng)機(jī)與泵頭集成控制閥塊、管路系統(tǒng)等組成循環(huán)加熱/冷卻/過(guò)濾(HCF)系統(tǒng)是保證設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵，系統(tǒng)的介質(zhì)油的清潔度必須達(dá)到使用元件的要求，主系統(tǒng)≤NAS8級(jí)，控制系統(tǒng)≤NAS6級(jí)。熱電偶溫度變送器檢測(cè)和采集主油箱油的溫度。油箱油溫通過(guò)溫度信號(hào)進(jìn)行控制，保證液壓系統(tǒng)在正常的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行工作。8.3.2快速自由鍛液壓機(jī)的智能控制2.液壓系統(tǒng)能夠快速鍛造仿真計(jì)算戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造8

確保液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，避免設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲和氣蝕等現(xiàn)象需要對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)在不同噸位下的鍛造頻次進(jìn)行仿真計(jì)算，完善液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)，提供現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試服務(wù)。采用由回程缸常壓蓄勢(shì)站與主缸快速鍛造閥構(gòu)成的位置閉環(huán)快速鍛造控制系統(tǒng)，滿足了最大快速鍛造頻次和鍛造尺寸精度要求圖8-27液壓系統(tǒng)快速鍛造仿真計(jì)算模型圖8-28快速鍛造液壓缸位置和鍛造頻次8.3.2快速自由鍛液壓機(jī)的智能控制3.電氣控制系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造9

電氣控制系統(tǒng)由上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)和可編程序控制器(PLC)兩級(jí)控制構(gòu)成。通過(guò)計(jì)算機(jī)和PLC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)對(duì)壓機(jī)工作過(guò)程的在線智能管理和控制。PLC對(duì)鍛造壓機(jī)及其輔助設(shè)備進(jìn)行精確過(guò)程控制，IPC實(shí)現(xiàn)鍛造壓機(jī)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置人機(jī)對(duì)話操作和故障檢測(cè)。

電氣控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)：1）清晰地再現(xiàn)所有控制2）監(jiān)視搜友工序過(guò)程3）能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話式操作4）能與輔助、多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接5）根據(jù)智能IPC可給出的故障指示和維修可采取的方法進(jìn)行維護(hù)，容易進(jìn)行修改或補(bǔ)充

可編程序控制器(PLC)PLC編程軟件采用STEP7，采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)，各塊之間可進(jìn)行任意組合以滿足各種工況要求。各種輸入/輸出模塊使PLC直接同電氣元件即電液閥線圈、按鈕、接近開(kāi)關(guān)、壓力繼電器、壓力、溫度、位置傳感器、編碼器、比例閥控制器連接，滿足壓機(jī)的位置、壓力、速度及各主、輔助機(jī)構(gòu)動(dòng)作的可靠控制與安全聯(lián)鎖。由PLC處理鍛造控制系統(tǒng)的所有輸入數(shù)據(jù)和反饋信號(hào)（如編碼器、傳感器和限位開(kāi)關(guān)等），并且實(shí)現(xiàn)所要求的過(guò)程控制。8.3.2快速自由鍛液壓機(jī)的智能控制33.電氣控制系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造10

整個(gè)PLC通過(guò)一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制通信總線(PROFIBUS-DP)連接各個(gè)部件，分布式的內(nèi)部總線允許CPU與IO間進(jìn)行快速通信，具有調(diào)整和擴(kuò)展靈活的特點(diǎn)。可編程序控制器(PLC)圖8-29計(jì)算機(jī)操作網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)8.3.2快速自由鍛液壓機(jī)的智能控制3.電氣控制系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造11上位機(jī)(IPC)監(jiān)控界面(HMI)+Siemens視窗控制中心(Winee)組態(tài)軟件：

可視化上位計(jì)算機(jī)可通過(guò)本地TCP/IP網(wǎng)絡(luò)同壓機(jī)控制系統(tǒng)連接。通過(guò)監(jiān)視器、鍵盤(pán)提供人機(jī)對(duì)話操作。可將上位工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接到鍛造壓機(jī)和操作機(jī)的PLC系統(tǒng)，進(jìn)行生產(chǎn)、工藝、控制信息的傳輸、數(shù)據(jù)交換和管理通信。1）幫助信息例如，無(wú)響應(yīng)、錯(cuò)誤的開(kāi)關(guān)設(shè)置、不正確的數(shù)據(jù)輸人、沒(méi)有設(shè)定初始位置等2）泵的選擇和狀態(tài)顯示3）以文字形式顯示故障信息4）壓機(jī)設(shè)定數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的補(bǔ)充顯示7）對(duì)控制、工藝、生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。5）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程、速度、壓力參數(shù)設(shè)定及實(shí)時(shí)顯示，對(duì)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示和故障信息顯示進(jìn)行監(jiān)控，液壓系統(tǒng)仿真顯示6）工藝參數(shù)顯示及工作曲線、鋼錠溫度設(shè)定和顯示。組態(tài)軟件使操作工可獲得的信息：8.3.3

軋制成形過(guò)程中的智能控制1.厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造12厚度自動(dòng)控制是通過(guò)測(cè)厚儀或傳感器（如輥縫儀和壓頭等）對(duì)帶鋼實(shí)際軋出厚度進(jìn)行連續(xù)地測(cè)量，并根據(jù)實(shí)測(cè)值與給定值相比較后的偏差信號(hào)，借助于控制回路和裝置或計(jì)算機(jī)的功能程序，改變壓下位置、軋制壓力、張力、軋制速度等，把厚度控制在允許偏差范圍之內(nèi)的方法。將制品的厚度自動(dòng)控制在一定尺寸范圍內(nèi)的系統(tǒng)稱(chēng)為厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為AGC。圖8-30反饋式厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖8-30所示，為反饋式厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)厚儀測(cè)出實(shí)際厚度

,并與給定厚度值

相比較，得到厚度偏差

,當(dāng)二者數(shù)值相等時(shí)，厚度差運(yùn)算器的輸出為零，即

；若實(shí)測(cè)厚度值與給定厚度值相比較出現(xiàn)厚度偏差

時(shí)，便將它反饋給厚度自動(dòng)控制裝置，變換為輥縫調(diào)節(jié)量的控制信號(hào)，輸出給電動(dòng)壓下或液壓壓下系統(tǒng)作相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以消除此厚度偏差。8.3.3軋制成形過(guò)程中的智能控制31.厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造13圖8-31與關(guān)系曲線

消除厚度偏差的方法：從上述數(shù)學(xué)模型可知，為消除帶鋼的厚度偏差，必須使輥縫移動(dòng)的距離，也就是說(shuō)，要移動(dòng)比厚度差還要大的距離。只有當(dāng)越大，而愈小，才能使得與之間的差別愈小。當(dāng)和為一定值時(shí)，即為常數(shù)，則與便成正比關(guān)系。只要檢測(cè)到厚度偏差，便可以計(jì)算出為消除此厚度偏差應(yīng)做出的輥縫調(diào)節(jié)量。為了消除已知的厚度偏差，必須找出與關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

圖8-31中，縱坐標(biāo)P為軋制壓力，A為軋機(jī)的彈跳曲線，B為軋件的塑性曲線，根據(jù)圖8-31的幾何關(guān)系，可以得到：

故

即或式中-軋件的塑性剛度系數(shù)，-軋機(jī)的剛度系數(shù)MKm8.3.3軋制成形過(guò)程中的智能控制戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造141.厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)

厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成：1）厚度的檢測(cè)部分：厚度控制系統(tǒng)能否精確地進(jìn)行控制，最重要的是取決于一次信號(hào)的檢測(cè)。2）厚度自動(dòng)控制裝置：它是整個(gè)厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，其作用是將測(cè)厚儀測(cè)出的厚度偏差信號(hào)，進(jìn)行放大或經(jīng)計(jì)算機(jī)的功能程序處理，然后輸出控制壓下位置的信號(hào)。3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：根據(jù)控制信號(hào)對(duì)帶鋼厚度直接進(jìn)行控制，例如通過(guò)壓下電動(dòng)機(jī)或液壓裝置調(diào)整壓下位置或通過(guò)主電動(dòng)機(jī)改變軋制速度，調(diào)節(jié)帶鋼的張力，來(lái)實(shí)現(xiàn)厚度的控制。

由于輥縫調(diào)節(jié)量

與厚度差

之間成一定的比例關(guān)系（壓下有效系數(shù)），故在自動(dòng)控制系統(tǒng)中采用比例調(diào)節(jié)器，如圖8-32所示。當(dāng)軋制不同尺寸和不同材質(zhì)的軋件時(shí)，因M的改變會(huì)導(dǎo)致

的改變，故在此種控制系統(tǒng)中的比例系數(shù)應(yīng)是可變的(通常在比例調(diào)節(jié)器中是用一個(gè)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)也就是調(diào)節(jié)它的比例度)。

—厚度的給定值；

—實(shí)測(cè)厚度值；

—厚度偏差；

—放大系數(shù)；

—滯后時(shí)間；

—由時(shí)間滯后引起的變化量；

—對(duì)厚度的干擾?hα

h0KPτe-τs?h

h8.3.3軋制成形過(guò)程中的智能控制2.板形自動(dòng)控制系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造15

現(xiàn)代板帶軋機(jī)的板形自動(dòng)控制系統(tǒng)一般通過(guò)兩個(gè)控制層面來(lái)實(shí)現(xiàn)，即一個(gè)是過(guò)程自動(dòng)化級(jí)另一個(gè)是基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)的二級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)。過(guò)程自動(dòng)化級(jí)中包含有板形設(shè)定模塊，基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)中一般采用板形閉環(huán)反饋控制，也稱(chēng)為AFC或ASC。

工作原理：

過(guò)程自動(dòng)化級(jí)也稱(chēng)為L(zhǎng)2級(jí)，基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)也稱(chēng)為L(zhǎng)1級(jí)，它們的功能各不相同。過(guò)程自動(dòng)化級(jí)從生產(chǎn)管理系統(tǒng)接收鋼卷的生產(chǎn)信息，在經(jīng)過(guò)一定觸發(fā)后開(kāi)始鋼卷的設(shè)定計(jì)算。板形設(shè)定計(jì)算的內(nèi)容包括各個(gè)板形調(diào)控機(jī)構(gòu)的調(diào)控量，例如彎輥力大小、軋輥橫移量等等。設(shè)定值計(jì)算完成后將這些設(shè)定值發(fā)送到基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)執(zhí)行相應(yīng)的控制。當(dāng)基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)沒(méi)有相應(yīng)的反饋或前饋功能時(shí)，這些設(shè)定值將維持整個(gè)鋼卷的生產(chǎn)。當(dāng)基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)有相應(yīng)的反饋或前饋功能時(shí)，這些設(shè)定值就是控制的初始值。圖8-33典型板形自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)8.3.3軋制成形過(guò)程中的智能控制2.板形自動(dòng)控制系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造16板形自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：在L1級(jí)中的板形控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)有獨(dú)立式或嵌入式兩種形式。

獨(dú)立式板形閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)是由單獨(dú)的板形控制計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)板形計(jì)算機(jī))組成;嵌入式板形閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)是將全部控制模塊部集成于PLC控制系統(tǒng)中。圖8-34獨(dú)立式板形閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)圖8-35嵌入式板形閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)在L2中的板形控制部分一般都集成于過(guò)程自動(dòng)化的數(shù)學(xué)模型中，作為設(shè)定計(jì)算的一個(gè)子系統(tǒng)來(lái)處理。這樣不僅可以利用軋制設(shè)定的硬件和操作系統(tǒng)等平臺(tái)，而且板形設(shè)定計(jì)算需要使用很多其他軋制設(shè)定的資源，例如需要調(diào)用軋制力計(jì)算模型等，如果有后計(jì)算還要提取實(shí)測(cè)信號(hào)，因此集成在過(guò)程自動(dòng)化的數(shù)學(xué)模型中有很多方便之處。在L1級(jí)中的板形控制包括前饋和反饋兩部分。軋制力前饋一般由L2的板形設(shè)定模型計(jì)算相應(yīng)的前饋系數(shù)，然后在L1中執(zhí)行簡(jiǎn)單的前饋運(yùn)算和控制。板形閉環(huán)反饋控制比較復(fù)雜，包括大量的數(shù)學(xué)計(jì)算和處理，運(yùn)算量很大。L1級(jí)硬件結(jié)構(gòu)組成：8.3.3軋制成形過(guò)程中的智能控制2.板形自動(dòng)控制系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造17嵌入式板形反饋控制系統(tǒng)：L2級(jí)中，板形設(shè)定采用表格式設(shè)定方法，不進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，只根據(jù)帶鋼等級(jí)和規(guī)格直接查表獲得過(guò)程設(shè)定參數(shù)。L1級(jí)中，HPU中的控制程序主要負(fù)責(zé)輸人實(shí)測(cè)的板形數(shù)據(jù)、控制運(yùn)行周期以及將閉環(huán)控制數(shù)據(jù)輸出到基礎(chǔ)自動(dòng)化。CPU中的控制程序主要負(fù)責(zé)板形目標(biāo)值計(jì)算、板形的識(shí)別、控制手段的控制量參數(shù)的計(jì)算等功能。帶鋼軋制過(guò)程中，HPU會(huì)定時(shí)啟動(dòng)CPU程序中的板形計(jì)算任務(wù)，在從HPU獲得實(shí)測(cè)板形數(shù)據(jù)后，根據(jù)有效通道和目標(biāo)曲線的計(jì)算，即可求得板形偏差。對(duì)板形偏差的進(jìn)行控制求解計(jì)算，得到各個(gè)調(diào)控機(jī)構(gòu)的調(diào)控量。在控制計(jì)算完畢后，將控制計(jì)算的結(jié)果輸出到HPU，用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。圖8-36板形反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖8.3.3軋制成形過(guò)程中的智能控制3.

軋制過(guò)程在線智能預(yù)測(cè)與決策系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造18軋制工藝參數(shù)機(jī)理模型對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量、成本、生產(chǎn)效率、控制精度等有著重要影響。合理的機(jī)理模型既可以提高板帶軋制的生產(chǎn)率、降低能耗，又能保證產(chǎn)品的質(zhì)量，提高工藝控制精度。針對(duì)定制化生產(chǎn)中熱軋板材凸度和板形設(shè)定模型的改進(jìn)提出以下五點(diǎn)優(yōu)化策略：圖8-37熱軋全流程整體在線智能預(yù)測(cè)與決策系統(tǒng)(1)三維剛塑性有限元法與影響函數(shù)法的耦合計(jì)算策略：

1）目的是提高熱軋板材凸度和板形設(shè)定模型的計(jì)算效率和精度。2）通過(guò)結(jié)合三維剛塑性有限元法和影響函數(shù)法，實(shí)現(xiàn)對(duì)有載輥縫快速計(jì)算，優(yōu)化熱軋板材的形狀控制。8.3.3軋制成形過(guò)程中的智能控制3.

軋制過(guò)程在線智能預(yù)測(cè)與決策系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造19圖8-37熱軋全流程整體在線智能預(yù)測(cè)與決策系統(tǒng)（2）熱軋全流程整體在線智能預(yù)測(cè)與決策系統(tǒng)：

1）引入大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱軋現(xiàn)場(chǎng)板形相關(guān)數(shù)據(jù)的在線收集、深度挖掘和高效利用。2）運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析原始變量和衍生變量，研究熱軋過(guò)程參數(shù)之間的關(guān)系，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量控制。

（3）特征變量重要性排序和數(shù)據(jù)分析報(bào)告：

1）通過(guò)對(duì)特征變量進(jìn)行重要性排序，篩選出影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵變量。2）結(jié)合工藝知識(shí)和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，建立熱軋生產(chǎn)條件與產(chǎn)品質(zhì)量之間的關(guān)系模型，生成數(shù)據(jù)分析報(bào)告并總結(jié)特征變量的趨勢(shì)和敏感性。8.3.3軋制成形過(guò)程中的智能控制3.

軋制過(guò)程在線智能預(yù)測(cè)與決策系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造20圖8-37熱軋全流程整體在線智能預(yù)測(cè)與決策系統(tǒng)（4）板形控制中間變量的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)：

1）利用工業(yè)數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)板形控制中間變量的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。2）構(gòu)建新型智能板形控制預(yù)設(shè)定模型，通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化算法和k-鄰近算法在線優(yōu)化設(shè)定彎輥力和竄輥位置，實(shí)現(xiàn)板形在線預(yù)設(shè)定計(jì)算。（5）網(wǎng)絡(luò)版報(bào)告可視化接口：

提供可視化接口，使得數(shù)據(jù)分析結(jié)果和優(yōu)化設(shè)定過(guò)程能夠直觀展示和理解。8.3.3軋制成形過(guò)程中的智能控制4.板帶熱軋過(guò)程組織性能預(yù)測(cè)與優(yōu)化軟件戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造21圖8-38軋制工藝對(duì)組織性能影響關(guān)系圖

為實(shí)現(xiàn)熱軋板帶組織性能的在線預(yù)測(cè)與優(yōu)化調(diào)控，結(jié)合機(jī)理模型與智能算法，基于熱軋工藝編制預(yù)報(bào)熱軋帶鋼的變形溫度場(chǎng)-組織-性能的數(shù)值模擬程序，該程序應(yīng)具有以下功能：

1）

在已知鋼化學(xué)成份和熱軋工藝參數(shù)時(shí)，模擬整個(gè)軋制過(guò)程軋件芯部、中部、表面溫度場(chǎng)。2）

基于材料的化學(xué)成分熱軋工藝參數(shù)、溫度場(chǎng)，預(yù)報(bào)全過(guò)程顯微組織