孔建 姜超 馬述塨 田莉莉

(煙臺工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺 264006)

在科技飛速發(fā)展的21世紀，自適應(yīng)控制技術(shù)獲得了人們廣泛的關(guān)注和大量的實踐應(yīng)用。就加工過程而言，隨著自適應(yīng)控制技術(shù)在加工過程中的廣泛應(yīng)用，已從最初的計算工具，發(fā)展成為今天具備綜合信息管理和進行控制決策的高端系統(tǒng)。自適應(yīng)控制技術(shù)的使用，使加工過程得到了更高效、準確的管控，使產(chǎn)品質(zhì)量得到了更嚴格、精準的控制，使加工的管理方法和控制手段發(fā)生了巨大的變化。

1 自適應(yīng)控制技術(shù)的簡述

1.1 自適應(yīng)控制的基本概念

自適應(yīng)控制是指在環(huán)境發(fā)生巨大變化或系統(tǒng)產(chǎn)生不確定性的情況下，控制系統(tǒng)能自行調(diào)整參數(shù)或產(chǎn)生控制作用，使系統(tǒng)仍按設(shè)定規(guī)律運行在最佳狀態(tài)的一種控制方法。自適應(yīng)控制能智能辨識對象的動態(tài)變化，采取對應(yīng)的法則，調(diào)整控制器的可變參數(shù)，以達到改善和優(yōu)化反饋控制系統(tǒng)的性能控制，使系統(tǒng)在最佳狀態(tài)中運行。［1］

1.2 自適應(yīng)控制的基本原理

自適應(yīng)控制的基本原理是在控制過程中對系統(tǒng)參數(shù)進行在線識別、評估和比較，并對比較結(jié)果進行自我修正，得出一個能實現(xiàn)自我調(diào)整的控制規(guī)律，實現(xiàn)自適應(yīng)控制目的。［2］其基本原理如圖1所示，當輸入數(shù)據(jù)通過調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)后，進入一個短暫時間的時變時滯過程，通過對當前系統(tǒng)的參數(shù)加以識別，將輸出數(shù)據(jù)與初始設(shè)定的理想數(shù)值進行比較，調(diào)節(jié)器通過比較結(jié)果自動進行調(diào)節(jié)和修正參數(shù)或模型，從而完成自適應(yīng)控制的完整回路設(shè)計。

圖1 自適應(yīng)控制的基本原理圖

1.3 自適應(yīng)控制的主要特點

與傳統(tǒng)的其他控制技術(shù)相比較，自適應(yīng)控制的被控對象或被控過程，都沒有現(xiàn)成的或者已知的數(shù)學(xué)模型進行定義，且很難確定，而自適應(yīng)控制的智能性正好解決了隨環(huán)境自動調(diào)節(jié)其動態(tài)參數(shù)或模型的問題，用自身的特征變化和自我糾正來跟蹤控制系統(tǒng)的參數(shù)變化，并對參數(shù)進行相應(yīng)的調(diào)整和控制，通過實現(xiàn)改變自身的特性來適應(yīng)被控對象的特性變化。其主要特點如下:

1)智能化:在既定自適應(yīng)規(guī)則的作用下，外界環(huán)境變化時，控制器能相應(yīng)地自我調(diào)整和變化。

2)引入自適應(yīng)回路設(shè)計:引入的自適應(yīng)回路能按照體系實際運行狀況，自我糾正和調(diào)節(jié)，適應(yīng)被控參數(shù)的不斷變化。

3)較廣的應(yīng)用范圍:對一些不能確定被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和特征參數(shù)、外界干擾作用強、且控制精度要求高的系統(tǒng)，自適應(yīng)控制都能得以應(yīng)用。

2 自適應(yīng)控制的應(yīng)用情況分析

2.1 機械加工過程中的應(yīng)用

在機械加工的作用下，工件發(fā)生了外形尺寸變化或性能改變的過程，稱之為機械加工。人們把所有利用機械工具進行產(chǎn)品生產(chǎn)的過程稱為廣義的機械加工;而把那些利用專用機器設(shè)備(如，沖壓機、車床、銑床、鉆床、磨床等)進行產(chǎn)品生產(chǎn)的過程稱為狹義的機械加工。如果根據(jù)工件在加工過程中所處的溫度狀態(tài)來進行分類，機械加工可分為冷加工和熱加工。在結(jié)晶溫度以下進行塑性變形被稱為冷加工，而在結(jié)晶溫度以上進行塑性變形則被稱為熱加工。在實際的生產(chǎn)過程中，包括金屬熱處理、電火花加工、軟釬焊、硬釬焊、鑄造、鍛造、金屬板材擠壓成型、數(shù)控加工等在內(nèi)的制造工藝都屬于機械加工。

1)在熱處理過程中，電阻爐是不可或缺的、滯后性大的、建立數(shù)學(xué)模型困難的非線性裝置，而其中的溫度控制部分又是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，采用PID等常規(guī)控制器難以提高溫控系統(tǒng)的控制精度，而且由于不能實現(xiàn)電腦聯(lián)機通訊，無法有效整理和管控熱處理工藝過程的系列數(shù)據(jù)。為改變這種現(xiàn)狀，劉濱等［3］將單片機技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)結(jié)合在電阻爐爐溫的控制中，開發(fā)出了具備自動監(jiān)測、實時采集控制參數(shù)、及時處理和調(diào)整參數(shù)的靈活多變的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，所獲控制精度高，可在熱處理件加工要求高的場合大規(guī)模應(yīng)用。唐鏡軍［4］根據(jù)電爐的加熱功率、爐的體積及保溫效果，采用XMT－400自適應(yīng)控制儀，將溫差控制在曲線的±2℃范圍內(nèi)。如果對電阻爐爐溫自適應(yīng)控制系統(tǒng)進行Matlab仿真，則會發(fā)現(xiàn)自適應(yīng)控制技術(shù)比傳統(tǒng)PID控制具有諸多優(yōu)點，尤其是響應(yīng)時間短、魯棒性和抗干擾好、動靜態(tài)性能優(yōu)異等。［5］若在機車、車輛制造過程中，用自適應(yīng)控制技術(shù)完成構(gòu)架整體時效電阻爐爐溫控制，可以大大降低溫度的超調(diào)量，減小溫度的穩(wěn)態(tài)誤差，明顯改善其他各項性能指標，對環(huán)境的變化有更強的魯棒性，明顯改善電阻爐的穩(wěn)定性、提高產(chǎn)品質(zhì)量。［6］

2)在實際的煉鋼過程中，電弧爐的參數(shù)控制對煉鋼質(zhì)量有關(guān)鍵性的影響，且由于生產(chǎn)過程中鋼液不斷地沸騰翻滾，使電弧弧長發(fā)生不可預(yù)見的波動，嚴重干擾系統(tǒng)的參數(shù)控制，使電弧爐控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有非常強的時變性、控制參數(shù)多等特點，傳統(tǒng)的控制方法無法適應(yīng)這種多變的環(huán)境，起不到良好的控制作用。管萍等［7］采用自適應(yīng)控制技術(shù)和反步法，找到了適用于電弧爐電極系統(tǒng)控制的自適應(yīng)控制規(guī)律，設(shè)計出了一套反步自適應(yīng)控制系統(tǒng)，用李亞普諾夫函數(shù)進行自適應(yīng)律的推導(dǎo)和調(diào)整，并對生產(chǎn)過程進行實時檢測、控制，減少誤差，提高控制效果。李明輝等［8］則在電弧爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)中采用直接自適應(yīng)模糊控制，并對其進行仿真，仿真結(jié)果證明，該方法的使用非常有效、合理，具有良好的控制效果。王發(fā)智等［9］采用一種響應(yīng)速度快、魯棒性好的自適應(yīng)控制技術(shù)、將雙閉環(huán)模式速度環(huán)作為內(nèi)環(huán)、電極的電流環(huán)作為外環(huán)，開發(fā)出了新型的電弧爐電極調(diào)節(jié)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的高效、精準控制。

3)在金屬焊接加工工藝中，焊接過程的質(zhì)量控制很大程度上取決于焊縫及其成形的熔透控制。在實際生產(chǎn)過程中，一般選擇熔池幾何參數(shù)作為質(zhì)量控制的被控量，可以對攝像機獲取的熔池圖像進行圖像處理并提取熔池信息，利用自適應(yīng)控制技術(shù)實現(xiàn)弧焊熔透系統(tǒng)的精準控制。經(jīng)在特殊形狀的2 mm厚的Q 235鋼試件上對TIG焊(惰性氣體鎢極保護焊)過程進行熔透控制工藝試驗，證明自適應(yīng)控制系統(tǒng)在TIG焊熔透控制時的穩(wěn)定性好、排除外界干擾能力強、控制精度較高，從而實現(xiàn)TIG焊質(zhì)量控制的目標，實踐證明，在其他焊接工藝中也能得到較好的應(yīng)用 。［10－13］

4)在電火花加工中，識別有害電弧和短路情況，根據(jù)放電狀態(tài)進行加工過程的監(jiān)測和調(diào)整，是控制這種加工過程的基本思路。如果在電火花加工中引入自適應(yīng)控制技術(shù)進行過程監(jiān)控，控制參數(shù)選為電極放電時間，當實際參數(shù)值與系統(tǒng)設(shè)定值產(chǎn)生偏差時，模擬評估系統(tǒng)參數(shù)及其變化趨勢，并及時做出調(diào)整，實現(xiàn)自適應(yīng)控制。經(jīng)實際測試發(fā)現(xiàn)，用自適應(yīng)技術(shù)來控制電火花加工過程，能得到更加穩(wěn)定的有用電弧，提高加工速度，有效地減少有害的穩(wěn)態(tài)拉弧和短路的出現(xiàn)。［14］李盛強等［15］將模糊控制技術(shù)和自適應(yīng)控制技術(shù)結(jié)合起來用于電火花加工過程中的放電狀態(tài)監(jiān)控，通過比例因子的自我調(diào)節(jié)、自我校正，完成間隙電壓初始設(shè)定值的同步調(diào)整，有效縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時間，明顯提高了系統(tǒng)反應(yīng)速度和系統(tǒng)控制精度。

5)在數(shù)控加工方面，為適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)自動化程度的不斷提高以及人們對人性化生產(chǎn)的不斷追求，數(shù)控機床的技術(shù)不斷更新。將自適應(yīng)控制技術(shù)引入到加工過程，能有效監(jiān)控和識別加工過程中的各項工藝參數(shù)，并根據(jù)這些狀態(tài)實時調(diào)整加工參數(shù)和加工指令，使控制系統(tǒng)達到高精度、高效率和安全的最佳狀態(tài)，滿足現(xiàn)代數(shù)控加工的生產(chǎn)需要。在強力銑削過程中，體系變化復(fù)雜，自適應(yīng)控制技術(shù)的運用，能有效排除加工過程的外界干擾，提高加工過程的穩(wěn)定程度，達到保護機床、刀具和提高加工效率的目的，實踐證明，在將長達4 m的大型滾齒機改造成SKX－4000高速銑齒機床時，自適應(yīng)控制技術(shù)能實現(xiàn)精準的、智能的控制，達到再制造精度要求。［16］自適應(yīng)控制技術(shù)在雕銑床的復(fù)雜曲面等數(shù)控加工方面也得到了廣泛應(yīng)用。［17－18］

此外，自適應(yīng)控制技術(shù)也較多地應(yīng)用于其他機械加工過程中［19－20］，大大增加了控制精度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，節(jié)約了能源。

2.2 其他加工行業(yè)中的應(yīng)用

在其他加工行業(yè)中，自適應(yīng)控制技術(shù)以它自身的優(yōu)勢，為其他產(chǎn)品的生產(chǎn)加工提供了有效的控制手段和管理方法，在提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、增加生產(chǎn)的安全性等方面發(fā)揮了重要的作用。［21］如，高精度的烘干系統(tǒng)采用傳統(tǒng)加熱方式難以滿足產(chǎn)品需求，當采用可控硅作為功率驅(qū)動，引入自適應(yīng)控制系統(tǒng)，根據(jù)環(huán)境溫度的變化實現(xiàn)實時的參數(shù)調(diào)整和加熱方式轉(zhuǎn)變，使烘干過程的溫度準確、穩(wěn)定，持續(xù)保持在理想狀態(tài)。［22］

3 新型自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用方向

眾所周知，當系統(tǒng)具有時變特征時，自適應(yīng)技術(shù)在系統(tǒng)中可起到很好的控制作用。但它也存在一定的缺陷，如，自適應(yīng)控制要求控制對象具有一定的數(shù)學(xué)模型，但在實際加工過程中，很難對全部的控制對象建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，因此影響了自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍，限制了其在更高精度、更復(fù)雜系統(tǒng)中的應(yīng)用。于是人們將自適應(yīng)控制技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合，拓寬了自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍，進一步拓展了其在加工過程中的應(yīng)用前景。

3.1 隨機自適應(yīng)控制

將自適應(yīng)控制與隨機控制結(jié)合在一起，具有對時變系統(tǒng)的連續(xù)調(diào)整、提供增益表、實現(xiàn)對時不變系統(tǒng)的控制器自校正等優(yōu)點，其應(yīng)用前景廣。目前零航速減搖鰭在實際運轉(zhuǎn)過程中，特別是在遇到強大的風浪時，發(fā)現(xiàn)往往存在驅(qū)動力不夠問題，金鴻章等［23］在了解和掌握海浪的頻譜特性后，采用隨機控制和自適應(yīng)控制相結(jié)合的方法，找出了零航速減搖鰭驅(qū)動力的最佳控制規(guī)律，建立了新型的隨機自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)模糊控制

隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而開發(fā)的一種新型自適應(yīng)控制技術(shù)，集合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和自適應(yīng)控制等控制技術(shù)，其最大特點是不需要被控對象具有精確和定量的數(shù)學(xué)模型，把控制決策作為系統(tǒng)的核心，利用各種可能實施的決策手段，靈活地達到預(yù)期控制目標，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，該控制技術(shù)在船用立式連續(xù)錨鏈調(diào)質(zhì)爐的溫度控制、高爐系統(tǒng)生產(chǎn)中熱風爐的燃燒控制等方面得到了一定的應(yīng)用。［24－25］

4 采用自適應(yīng)控制技術(shù)的戰(zhàn)略思考

在我國，加工業(yè)中自適應(yīng)控制器的開發(fā)得到了各個科研單位的重視，并不斷涌現(xiàn)出新的研究成果。但從規(guī)?；a(chǎn)加工的角度上看，這些成果真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的卻很少。目前，在整體上，我國的加工業(yè)與發(fā)達國家工業(yè)相比還存在很多不足，尤其是精密加工和深加工業(yè)差距甚大。要改善我國加工業(yè)現(xiàn)狀，重要的是提高我國產(chǎn)品加工過程的控制技術(shù)水平。首先，從國家利益和國家安全的高度來重視加工業(yè)的發(fā)展和自適應(yīng)等控制技術(shù)的應(yīng)用問題。其次，從基本國情出發(fā)，以市場需求為導(dǎo)向，為企業(yè)提供了解國內(nèi)外市場需求和最新技術(shù)開發(fā)動態(tài)的平臺。最后，作為加工業(yè)一線的企業(yè)需具備強烈的技術(shù)更新愿望，不斷取長補短，在壯大自身開發(fā)團隊和實力的同時，積極建立產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系，將科研院校的成熟技術(shù)第一時間轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，將產(chǎn)品盡快投放到市場中，節(jié)約成本，提高效率。

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