探討模式識別在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、    探討模式識別在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用    王思月左越耿詩宇摘 要：從本質(zhì)上來說，模式識別是一種分類方法，不需要通過過程數(shù)學(xué)模型就可以實現(xiàn)高級決策，因此在很多控制領(lǐng)域都有非常重要的作用。模式識別在過程控制系統(tǒng)中應(yīng)用具有很大的優(yōu)越性，能夠解決過程控制系統(tǒng)中的復(fù)雜問題。因此，本文主要分析了模式識別方法在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并指出其未來的研究方向與趨勢。關(guān)鍵詞：模式識別；過程控制系統(tǒng)；故障診斷；自整定控制近年來，模式識別在工業(yè)控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，能夠有效改善控制系統(tǒng)的運行質(zhì)量，對于提高控制精度也大有裨益。為此，本文著重探討了模式識別在過程控制中的具

2、體應(yīng)用，并且指出了現(xiàn)在的研究成果、研究方向和未來的發(fā)展趨勢，希望對模式識別在過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用起到參考和借鑒作用。1 模式識別方法的產(chǎn)生及作用模式識別方法產(chǎn)生于20世紀60年代，并在之后得到了快速的發(fā)展，利用這種方法可以有效地描述、分析和識別模式。具體而言，模式識別的處理方法有很多，概括起來主要有以下四種：第一，統(tǒng)計決策；第二，語言結(jié)構(gòu)；第三，智能識別；第四，模糊識別。統(tǒng)計決策主要建立在決策理論的基礎(chǔ)上，基于隨機的模式，之后提取它的形狀和紋理，并用參量或非參量的形式體現(xiàn)出來。語言結(jié)構(gòu)的方法是將字詞等原始的語言結(jié)構(gòu)重新組合，字詞間的關(guān)系主要依靠語法規(guī)則體現(xiàn)出來。模糊識別方法的創(chuàng)始人是l.a.za

3、deh，這種方法的理論基礎(chǔ)是模糊數(shù)學(xué)。最后，智能識別的方法是模式識別的進一步發(fā)展。在過程控制系統(tǒng)中，模式識別具有非常重要的意義，能夠有效解決普通機理建模方法的弊端。這一方法主要通過控制操作參數(shù)、輸出和過程信息之間的關(guān)系，對生產(chǎn)工況進行預(yù)測與控制，從而有利于達到科學(xué)決策的作用。如今，模式識別可以運用到更加先進的方法與硬件，其優(yōu)越性得以進一步顯現(xiàn)，在控制系統(tǒng)領(lǐng)域一定會得到更加廣泛的應(yīng)用。2 模式識別在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)識別自從20世紀70年代開始，模式識別就能夠有效解決系統(tǒng)辨識，在控制領(lǐng)域成了一個熱門研究項目。g.n.saridis等研究人員將結(jié)構(gòu)識別的方法運用到非線性系統(tǒng)之中，

4、主要將非線性系統(tǒng)作為主要的研究對象，成為決策的重要理論依據(jù)。結(jié)構(gòu)識別的方法也可以通過研究互相關(guān)函數(shù)，在應(yīng)用k近鄰法的理論基礎(chǔ)上，將非線性隨機系統(tǒng)劃分為已知類別，并運用了隨機逼近學(xué)習(xí)理論中的相關(guān)參數(shù)，達到對整個系統(tǒng)的識別與控制。之后，出現(xiàn)了j.kittler等研究人員，這些人員在運用saridis等人研究成果的基礎(chǔ)上，有效解決了非線性系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)辨識問題。w.j.hill在生物系統(tǒng)辨識領(lǐng)域中也應(yīng)用了這一方法。m.cadaparthi對分布參數(shù)系統(tǒng)進行了深入研究，是對模式識別概念的進一步發(fā)展。首先，通過分析驗前信息，從而通過計算得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。在輸入系統(tǒng)中的有效信息之后，運用觀測向量得到模式向量

5、，再通過模式向量得到?jīng)Q策結(jié)果。由此可知，決策結(jié)果是依據(jù)模型結(jié)構(gòu)得出的，可以看作是模型結(jié)構(gòu)的解。2.2 動態(tài)建模與狀態(tài)估計如果技術(shù)人員對模型結(jié)構(gòu)不清楚，所有數(shù)據(jù)也都是從系統(tǒng)中得來，除了要依靠模型結(jié)構(gòu)進行辨識以外，還需要依靠相關(guān)參數(shù)才能達到模式識別的作用。另外，只有通過模式識別，才能有效地建立動態(tài)模型。具體而言，動態(tài)建模與狀態(tài)估計的主要建立過程如下：首先，需要設(shè)定一個非線性siso系統(tǒng)，之后再運用計算公式de：x（k+1）=f（x（k），u（k），在模型結(jié)構(gòu)未知的前提下，我們可以將x（k+1）的值域劃分為r個子域，即【ximin，ximax】（i=1，r；ximax=xi+1min），如果根據(jù)已知

6、的x（k）與u（k），就可以通過分類的方法，計算得知x（k+1）的子域范圍，這樣就能夠起到描述de動態(tài)特性的作用。2.3 智能與優(yōu)化控制從理論上來說，模式識別借鑒了行為科學(xué)中的很多理論成果，不僅具有記憶與學(xué)習(xí)的功能，同時具有較強的適應(yīng)性。因此，模式識別可以有效應(yīng)用到研究結(jié)構(gòu)不確定，或者隨機環(huán)境結(jié)構(gòu)中，對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與決策有非常重要的作用。假定控制過程未知，僅能從輸出定性關(guān)系表現(xiàn)模型，x（k+1）=f（x（k），u（k），y（k）=g（x（k）。在上述公式中，x（k）屬于狀態(tài)向量，而y（k）屬于離散時間輸出向量，u（k）則屬于控制輸入向量。在這一控制理論模型中，最主要的目的是要找出過程持續(xù)階段

7、的控制序列，提高預(yù)測與判斷的精準度，盡量降低性能準則j（u）的數(shù)值。在過程控制系統(tǒng)中，模式識別得到了有效運用，出現(xiàn)了很多智能化的模式控制方案。在最優(yōu)控制的前提下，smith在控制系統(tǒng)中引入了可訓(xùn)練模式分類器，之后k.s.fu還研究出了再勵學(xué)習(xí)系統(tǒng)，將“獎優(yōu)罰劣”的原則貫徹其中，并對lqg系統(tǒng)進行了深入研究，提出了子目標的系統(tǒng)劃分方法。以上研究發(fā)現(xiàn)在過程控制系統(tǒng)中都得到了廣泛應(yīng)用，其理論還在衛(wèi)星姿態(tài)控制、核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。另外，在bayes學(xué)習(xí)法的基礎(chǔ)之上，saridis也拓展了模式識別的應(yīng)用領(lǐng)域，將其應(yīng)用到未知參數(shù)系統(tǒng)的控制中，并實現(xiàn)了漸進最優(yōu)控制的目標。最后，一些學(xué)者還在機

8、械手、熱軋機和交通系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用模式識別，極大地拓展了模式識別的應(yīng)用范圍。2.4 自整定控制自整定控制的主要標準參數(shù)是pid，控制過程分為兩大部分：第一，獲取充分的過程特性；第二，優(yōu)化控制器中的相關(guān)參數(shù)。通常來說，過程特性的獲得必須在線進行，但是控制器參數(shù)的優(yōu)化在離線狀態(tài)下也可以進行。當前，pid參數(shù)自整定通常都運用離線的方式，通過整定規(guī)則來獲得。由此可見，過程特性的獲取尤為重要，是得出在線計算量的前提，需要借助過程模型體現(xiàn)出來，因此獲取特性的過程就是模式識別的過程。過程模型需要依靠專業(yè)的辨識技術(shù)，但是如果運用pid進行參數(shù)自整定的話，所采用的方法就屬于閉環(huán)辨識，需要盡量控制對閉環(huán)系統(tǒng)的擾動，

9、在辨識方法和程序上較為簡便。根據(jù)模式識別的應(yīng)用實踐來看，模型辨識方法也存在很多弊端。第一，開展模型辨識的過程需要相應(yīng)激勵，會對閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動作用；第二，模型辨識需要符合實際情況，并且需要精準地辨識相關(guān)模型參數(shù)。據(jù)此，目前又產(chǎn)生了一種新型的自整定控制方法，即專家自整定方法。這種控制方法以模式識別為基礎(chǔ)，是建立在工程師的專業(yè)知識之上的，通過在線識別的方式對相關(guān)參數(shù)進行整定。這種方法具有較強的適應(yīng)性，同時具備性能好的特點。但是，如果這種自整定方法不具備模式判斷知識，或者由于其他原因使專家系統(tǒng)產(chǎn)生錯誤，就會導(dǎo)致控制系統(tǒng)的發(fā)散效應(yīng)。因此，這種自整定方法仍需進一步修改與完善。3 結(jié)語模式識別在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用已日趨廣泛，但仍面臨很多問題，需要進一步地妥善解決。今后，模式識別的應(yīng)用應(yīng)當注重過程控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，利用專家系統(tǒng)法提高算法速度，并達到實時控制的目標。同時，要探索模式識別在過程控制應(yīng)用的新領(lǐng)域，充分發(fā)揮模式識別的作用，拓展模式識別的應(yīng)用范圍。參考文獻：1 邱道