基于PAC系列系統(tǒng)的棒材連扎線控制系統(tǒng)（2）
2.1 監(jiān)測(cè)控制模塊
監(jiān)測(cè)控制模塊對(duì)進(jìn)入CX1000系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)控，針對(duì)各個(gè)器件的運(yùn)轉(zhuǎn)情況隨時(shí)給出預(yù)警信息，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行控制運(yùn)算得出控制指令對(duì)整個(gè)扎線進(jìn)行自動(dòng)控制。此模塊主要分為三部分：電機(jī)時(shí)間檢測(cè)部分;倍尺鋼長(zhǎng)度在線檢測(cè)部分;倍尺長(zhǎng)度優(yōu)化剪切指導(dǎo)部分。電機(jī)時(shí)間檢測(cè)部分通過(guò)對(duì)電機(jī)動(dòng)作時(shí)間測(cè)量裝置，測(cè)量得到一系列電機(jī)高位落到低位的時(shí)間。根據(jù)這些時(shí)間數(shù)據(jù)，以中值濾波為基礎(chǔ)，采用具有自學(xué)習(xí)功能的加權(quán)均值濾波算法對(duì)時(shí)間檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到電機(jī)的下一次動(dòng)作的精確時(shí)間。此算法規(guī)定：數(shù)據(jù)序列中的每個(gè)數(shù)據(jù)均包含有一定的信息，最新數(shù)據(jù)所含有效信息越多，越老的數(shù)據(jù)所含有效信息越少，因此在預(yù)測(cè)下一次電機(jī)動(dòng)作時(shí)間時(shí)，取最新一組的數(shù)據(jù)參與計(jì)算，同時(shí)賦予不同數(shù)據(jù)不同的權(quán)值。為了算法設(shè)計(jì)方便，采用等維新息的方法，即保持參與計(jì)算的數(shù)據(jù)數(shù)量不便，將每次新采集的數(shù)據(jù)補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，將最早的數(shù)據(jù)去掉。算法的公式描述為：
其中0＜α＜0.5，t2k+1為預(yù)測(cè)值，tzk，k＝1，2，…為參與計(jì)算的前2k個(gè)測(cè)量時(shí)間。倍尺鋼長(zhǎng)度在線檢測(cè)部分采用編碼器和高數(shù)計(jì)數(shù)器的方式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)飛剪剪刃閉合信號(hào)，計(jì)算得到倍尺鋼的在線長(zhǎng)度。倍尺長(zhǎng)度優(yōu)化剪切指導(dǎo)部分根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的扎件長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，運(yùn)用不定方程的矩陣變換法求出最適合的剪切方案，送到飛剪控制器，指導(dǎo)飛剪進(jìn)行最優(yōu)剪切，提高生產(chǎn)效率。
2.2 故障診斷模塊
故障診斷模塊的核心部分是故障診斷專家系統(tǒng)，是指計(jì)算機(jī)在采集被診斷對(duì)象的信息后，綜合運(yùn)用各種規(guī)則（專家經(jīng)驗(yàn)），進(jìn)行一系列的推理，必要時(shí)還可以隨時(shí)調(diào)用各種應(yīng)用程序，運(yùn)行過(guò)程中向用戶索取必要的信息后，就可快速地找到最終故障或最有可能的故障，再由用戶來(lái)證實(shí)。專家系統(tǒng)的故障診斷方法由數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、人機(jī)接口、推理機(jī)等組成。在此重點(diǎn)介紹知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)的構(gòu)成。
2.2.1 知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建
本系統(tǒng)采用的知識(shí)表示方式為產(chǎn)生式。系統(tǒng)采用了產(chǎn)生式規(guī)則的一般形式：
IF A THEN B CF（B，A） 即 A→B，CF（B，A）
其中A為規(guī)則的前提、條件或證據(jù)，A可以是單獨(dú)命題形式的條件項(xiàng)，也可以是由簡(jiǎn)單命題以邏輯組合起來(lái)而生成的符合命題的條件項(xiàng)，A可能不止支持一條規(guī)則；例如 A＝（A1∧A2）∧A3∧A4就是一個(gè)復(fù)合條件，B為證據(jù)A引出結(jié)論。在推理中，由于每個(gè)條件的不精確性給診斷帶來(lái)了一定的困難，為了解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)每個(gè)前提都設(shè)定一個(gè)發(fā)生程度，也就是可信度的問(wèn)題，即CF值。例如：某個(gè)前提的可信度很強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的CF值為1.00；可信度一般，對(duì)應(yīng)的CF值為0.5。CF（B，A）為規(guī)則的強(qiáng)度或可信度，表示規(guī)則的不確定性的程度，通常由專家給出，0≤CF（B，A）＜1。系統(tǒng)除了對(duì)所有規(guī)則按照以上形式進(jìn)行描述外，還對(duì)所有的知識(shí)，包括A、B，即前提和結(jié)論都規(guī)定了可信度。前提A的可信度表示為CF（A），表示問(wèn)題求解狀態(tài)下條件A的可信度值0 。
本系統(tǒng)中故障診斷一般都是由幾個(gè)故障現(xiàn)象推理出一個(gè)故障原因。在現(xiàn)實(shí)情況總，一條推理規(guī)則的前提中的各個(gè)子前提的“重要性”是各不相同的。所謂前提的重要程度，是指各事實(shí)在條件中的重要性，即各個(gè)事實(shí)的加權(quán)系數(shù)，即Ki。例如規(guī)則“如果上空陰云密布，有風(fēng)，則多半天要下雨”中，顯然“上空陰云密布”是最重要的，而“有風(fēng)”則不太重要。因此，本系統(tǒng)在進(jìn)行判斷時(shí)，各個(gè)條件也有不同的重要性。在對(duì)每條規(guī)則的條件進(jìn)行權(quán)值設(shè)定時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其重要程度進(jìn)行賦值，賦值原則是保證 ∑Ki＝1。除了靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行權(quán)值估計(jì)外，還可以按照其重要程度進(jìn)行劃分：最重要、很重要、一般重要、可有可無(wú)，分別對(duì)應(yīng)為1、2、3、4。
例如： IF A1 （最重要＝4）
A2 （一般總要＝2）
A3 （可有可無(wú)＝1）
THEN B1
A1的權(quán)值為4/（4＋2＋1）＝0.57；A2的權(quán)值為2/（4＋2＋1）＝0.29；A3的權(quán)值為1/（4＋2＋1）＝0.14。三者權(quán)值相加等于1。
2.2.2 推理機(jī)的構(gòu)建
建立一個(gè)推理機(jī)最重要的就是確立該推理機(jī)的控制策略和推理算法。本系統(tǒng)所運(yùn)用的推理策略是正向推理控制策略和沖突消除策略相結(jié)合的控制策略。根據(jù)用戶輸入的故障現(xiàn)象集或傳感器監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，在知識(shí)庫(kù)進(jìn)行前提匹配，通過(guò)沖突消除策略好選擇知識(shí)，這里的沖突消除策略是根據(jù)扎線控制技術(shù)工人多年的經(jīng)驗(yàn)歸納出來(lái)的規(guī)則，規(guī)則匹配按照該順序進(jìn)行，匹配成功則得到該故障現(xiàn)象集對(duì)應(yīng)的故障，進(jìn)而得到其解決方案。
不精確推理有四種推理算法：確定理論方法、主觀Bayes方法、可能性理論方法、證據(jù)理論方法，本系統(tǒng)采用了確定理論方法。確定理論方法是根據(jù)前提的可信度、權(quán)值、規(guī)則的可信度類求出結(jié)論的可信度。考慮權(quán)值的知識(shí)表示形式為：
IF A1（k1）∧A2（k2）∧A3（k3……）An（kn）THEN B CF（B，A）
在上式中 A＝A1（k1）∧A2（k2）∧A3（k3……）An（kn），加權(quán)因子ki（i-1、2…nn）的值由領(lǐng)域?qū)＜医o出，組合條件的可信度由公式計(jì)算：CF（A）＝∑Ki× CF（Ai）；結(jié)論的可信度有下式計(jì)算： CF（B）＝CF（B，A）& CF（A）；其中&可以是相乘運(yùn)算，也可以是取極小值或其他合適的運(yùn)算。
例如 ： IF A1 權(quán)值k1
A2 權(quán)值k2
A3 權(quán)值k3
THEN B
則 CF（B）＝MIN[CF（B，A）、CF（A1）×K1＋CF（A2）×K2＋CF（A3）×K3）]
根據(jù)預(yù)測(cè)得到的結(jié)論的可信度，可以給出預(yù)警信息以及故障原因。
3 運(yùn)行情況
我們通過(guò)大量的調(diào)研確定了軟硬件支撐平臺(tái)，對(duì)此方案在實(shí)際挖掘機(jī)故障診斷領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性進(jìn)行了試驗(yàn)探討，已于2006年3月在貴州某軋鋼廠投入運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)運(yùn)行情況良好、性能穩(wěn)定、結(jié)論正確，響應(yīng)時(shí)間快，給技術(shù)人員提供了極大的方便。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文提出的控制系統(tǒng)是針對(duì)軋鋼廠老式棒材扎線所設(shè)計(jì)的，此系統(tǒng)采用PAC系統(tǒng)作為運(yùn)行平臺(tái)，能夠滿足在線監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制與診斷所要求的高處理能力以及高數(shù)據(jù)容量，并且適合于扎鋼廠特殊的工作環(huán)境，根據(jù)老式棒材連扎線故障的特點(diǎn)，提出了專家系統(tǒng)診斷方案，對(duì)老式棒材連扎線起到了很好的完善作用，使其能夠發(fā)揮最大的作用，提高生產(chǎn)效率。
監(jiān)測(cè)控制模塊對(duì)進(jìn)入CX1000系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)控，針對(duì)各個(gè)器件的運(yùn)轉(zhuǎn)情況隨時(shí)給出預(yù)警信息，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行控制運(yùn)算得出控制指令對(duì)整個(gè)扎線進(jìn)行自動(dòng)控制。此模塊主要分為三部分：電機(jī)時(shí)間檢測(cè)部分;倍尺鋼長(zhǎng)度在線檢測(cè)部分;倍尺長(zhǎng)度優(yōu)化剪切指導(dǎo)部分。電機(jī)時(shí)間檢測(cè)部分通過(guò)對(duì)電機(jī)動(dòng)作時(shí)間測(cè)量裝置，測(cè)量得到一系列電機(jī)高位落到低位的時(shí)間。根據(jù)這些時(shí)間數(shù)據(jù)，以中值濾波為基礎(chǔ)，采用具有自學(xué)習(xí)功能的加權(quán)均值濾波算法對(duì)時(shí)間檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到電機(jī)的下一次動(dòng)作的精確時(shí)間。此算法規(guī)定：數(shù)據(jù)序列中的每個(gè)數(shù)據(jù)均包含有一定的信息，最新數(shù)據(jù)所含有效信息越多，越老的數(shù)據(jù)所含有效信息越少，因此在預(yù)測(cè)下一次電機(jī)動(dòng)作時(shí)間時(shí)，取最新一組的數(shù)據(jù)參與計(jì)算，同時(shí)賦予不同數(shù)據(jù)不同的權(quán)值。為了算法設(shè)計(jì)方便，采用等維新息的方法，即保持參與計(jì)算的數(shù)據(jù)數(shù)量不便，將每次新采集的數(shù)據(jù)補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，將最早的數(shù)據(jù)去掉。算法的公式描述為：
其中0＜α＜0.5，t2k+1為預(yù)測(cè)值，tzk，k＝1，2，…為參與計(jì)算的前2k個(gè)測(cè)量時(shí)間。倍尺鋼長(zhǎng)度在線檢測(cè)部分采用編碼器和高數(shù)計(jì)數(shù)器的方式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)飛剪剪刃閉合信號(hào)，計(jì)算得到倍尺鋼的在線長(zhǎng)度。倍尺長(zhǎng)度優(yōu)化剪切指導(dǎo)部分根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的扎件長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，運(yùn)用不定方程的矩陣變換法求出最適合的剪切方案，送到飛剪控制器，指導(dǎo)飛剪進(jìn)行最優(yōu)剪切，提高生產(chǎn)效率。
2.2 故障診斷模塊
故障診斷模塊的核心部分是故障診斷專家系統(tǒng)，是指計(jì)算機(jī)在采集被診斷對(duì)象的信息后，綜合運(yùn)用各種規(guī)則（專家經(jīng)驗(yàn)），進(jìn)行一系列的推理，必要時(shí)還可以隨時(shí)調(diào)用各種應(yīng)用程序，運(yùn)行過(guò)程中向用戶索取必要的信息后，就可快速地找到最終故障或最有可能的故障，再由用戶來(lái)證實(shí)。專家系統(tǒng)的故障診斷方法由數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、人機(jī)接口、推理機(jī)等組成。在此重點(diǎn)介紹知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)的構(gòu)成。
2.2.1 知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建
本系統(tǒng)采用的知識(shí)表示方式為產(chǎn)生式。系統(tǒng)采用了產(chǎn)生式規(guī)則的一般形式：
IF A THEN B CF（B，A） 即 A→B，CF（B，A）
其中A為規(guī)則的前提、條件或證據(jù)，A可以是單獨(dú)命題形式的條件項(xiàng)，也可以是由簡(jiǎn)單命題以邏輯組合起來(lái)而生成的符合命題的條件項(xiàng)，A可能不止支持一條規(guī)則；例如 A＝（A1∧A2）∧A3∧A4就是一個(gè)復(fù)合條件，B為證據(jù)A引出結(jié)論。在推理中，由于每個(gè)條件的不精確性給診斷帶來(lái)了一定的困難，為了解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)每個(gè)前提都設(shè)定一個(gè)發(fā)生程度，也就是可信度的問(wèn)題，即CF值。例如：某個(gè)前提的可信度很強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的CF值為1.00；可信度一般，對(duì)應(yīng)的CF值為0.5。CF（B，A）為規(guī)則的強(qiáng)度或可信度，表示規(guī)則的不確定性的程度，通常由專家給出，0≤CF（B，A）＜1。系統(tǒng)除了對(duì)所有規(guī)則按照以上形式進(jìn)行描述外，還對(duì)所有的知識(shí)，包括A、B，即前提和結(jié)論都規(guī)定了可信度。前提A的可信度表示為CF（A），表示問(wèn)題求解狀態(tài)下條件A的可信度值0 。
本系統(tǒng)中故障診斷一般都是由幾個(gè)故障現(xiàn)象推理出一個(gè)故障原因。在現(xiàn)實(shí)情況總，一條推理規(guī)則的前提中的各個(gè)子前提的“重要性”是各不相同的。所謂前提的重要程度，是指各事實(shí)在條件中的重要性，即各個(gè)事實(shí)的加權(quán)系數(shù)，即Ki。例如規(guī)則“如果上空陰云密布，有風(fēng)，則多半天要下雨”中，顯然“上空陰云密布”是最重要的，而“有風(fēng)”則不太重要。因此，本系統(tǒng)在進(jìn)行判斷時(shí)，各個(gè)條件也有不同的重要性。在對(duì)每條規(guī)則的條件進(jìn)行權(quán)值設(shè)定時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其重要程度進(jìn)行賦值，賦值原則是保證 ∑Ki＝1。除了靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行權(quán)值估計(jì)外，還可以按照其重要程度進(jìn)行劃分：最重要、很重要、一般重要、可有可無(wú)，分別對(duì)應(yīng)為1、2、3、4。
例如： IF A1 （最重要＝4）
A2 （一般總要＝2）
A3 （可有可無(wú)＝1）
THEN B1
A1的權(quán)值為4/（4＋2＋1）＝0.57；A2的權(quán)值為2/（4＋2＋1）＝0.29；A3的權(quán)值為1/（4＋2＋1）＝0.14。三者權(quán)值相加等于1。
2.2.2 推理機(jī)的構(gòu)建
建立一個(gè)推理機(jī)最重要的就是確立該推理機(jī)的控制策略和推理算法。本系統(tǒng)所運(yùn)用的推理策略是正向推理控制策略和沖突消除策略相結(jié)合的控制策略。根據(jù)用戶輸入的故障現(xiàn)象集或傳感器監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，在知識(shí)庫(kù)進(jìn)行前提匹配，通過(guò)沖突消除策略好選擇知識(shí)，這里的沖突消除策略是根據(jù)扎線控制技術(shù)工人多年的經(jīng)驗(yàn)歸納出來(lái)的規(guī)則，規(guī)則匹配按照該順序進(jìn)行，匹配成功則得到該故障現(xiàn)象集對(duì)應(yīng)的故障，進(jìn)而得到其解決方案。
不精確推理有四種推理算法：確定理論方法、主觀Bayes方法、可能性理論方法、證據(jù)理論方法，本系統(tǒng)采用了確定理論方法。確定理論方法是根據(jù)前提的可信度、權(quán)值、規(guī)則的可信度類求出結(jié)論的可信度。考慮權(quán)值的知識(shí)表示形式為：
IF A1（k1）∧A2（k2）∧A3（k3……）An（kn）THEN B CF（B，A）
在上式中 A＝A1（k1）∧A2（k2）∧A3（k3……）An（kn），加權(quán)因子ki（i-1、2…nn）的值由領(lǐng)域?qū)＜医o出，組合條件的可信度由公式計(jì)算：CF（A）＝∑Ki× CF（Ai）；結(jié)論的可信度有下式計(jì)算： CF（B）＝CF（B，A）& CF（A）；其中&可以是相乘運(yùn)算，也可以是取極小值或其他合適的運(yùn)算。
例如 ： IF A1 權(quán)值k1
A2 權(quán)值k2
A3 權(quán)值k3
THEN B
則 CF（B）＝MIN[CF（B，A）、CF（A1）×K1＋CF（A2）×K2＋CF（A3）×K3）]
根據(jù)預(yù)測(cè)得到的結(jié)論的可信度，可以給出預(yù)警信息以及故障原因。
3 運(yùn)行情況
我們通過(guò)大量的調(diào)研確定了軟硬件支撐平臺(tái)，對(duì)此方案在實(shí)際挖掘機(jī)故障診斷領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性進(jìn)行了試驗(yàn)探討，已于2006年3月在貴州某軋鋼廠投入運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)運(yùn)行情況良好、性能穩(wěn)定、結(jié)論正確，響應(yīng)時(shí)間快，給技術(shù)人員提供了極大的方便。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文提出的控制系統(tǒng)是針對(duì)軋鋼廠老式棒材扎線所設(shè)計(jì)的，此系統(tǒng)采用PAC系統(tǒng)作為運(yùn)行平臺(tái)，能夠滿足在線監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制與診斷所要求的高處理能力以及高數(shù)據(jù)容量，并且適合于扎鋼廠特殊的工作環(huán)境，根據(jù)老式棒材連扎線故障的特點(diǎn)，提出了專家系統(tǒng)診斷方案，對(duì)老式棒材連扎線起到了很好的完善作用，使其能夠發(fā)揮最大的作用，提高生產(chǎn)效率。
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