專利名稱：專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了一種專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化系統(tǒng)及方法，可應(yīng)用到控制、人工智能等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，模擬控制主要以PID控制等經(jīng)典控制方法為代表，也有一部分系統(tǒng)采用了 模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制算法。這些針對(duì)確定被控對(duì)象、確定工作環(huán)境的控制 方法被稱為經(jīng)典控制方法，而采用的具體算法被稱成經(jīng)典控制算法。經(jīng)典控制算法在不同 方面各有所長，但也存在著應(yīng)用的局限性。經(jīng)典控制算法存在著如下共性1.控制器參數(shù)的整定工作是在系統(tǒng)投入使用之前進(jìn)行的。在開發(fā)階段，工程師憑 借經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)完成對(duì)控制器參數(shù)的整定，參數(shù)配置的完成往往伴隨著項(xiàng)目的完成和交 付而終結(jié)。因此，系統(tǒng)控制參數(shù)在實(shí)際運(yùn)行中不會(huì)改變，即被控對(duì)象無法根據(jù)在運(yùn)行過程中 得到的環(huán)境信息調(diào)整和優(yōu)化算法及算法參數(shù)。2.對(duì)于很多同樣的調(diào)試單元，例如在一個(gè)項(xiàng)目中多路相同的被控對(duì)象，由于對(duì)象 之間或多或少地存在差異，因此重復(fù)調(diào)試工作不可避免；特別對(duì)于帶有延遲、滯后或大慣性 的被控對(duì)象來說，針對(duì)每一個(gè)被控對(duì)象的調(diào)試時(shí)間都會(huì)消耗大量的時(shí)間，占用大量的人力 物力。3.即使對(duì)于多路同樣的調(diào)試單元，由于其工作環(huán)境有所差別，因此在系統(tǒng)運(yùn)行前 進(jìn)行了分別的調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行后被控對(duì)象的工作環(huán)境有了變化，控制參數(shù)卻不能隨之改變， 使得控制效果變差，甚至誤差增加，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。以PID控制器參數(shù)整定方法為例，現(xiàn)有的最好的在線整定優(yōu)化算法是模糊自適應(yīng) 整定PID控制方法，該算法采用以PID參數(shù)初始值為中心點(diǎn)通過模糊控制對(duì)中心點(diǎn)進(jìn)行修 正的方法，實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的在線整定優(yōu)化。這種方法適用于那些工程中工程師可以 對(duì)PID參數(shù)的初始值能夠做出較為準(zhǔn)確的估算的情況。但會(huì)受PID初始值的限制，如果控 制回路差異大、工程師對(duì)參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)不足或者是控制器的最優(yōu)參數(shù)超出模糊控制器的 輸出范圍，該方法將無法實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器參數(shù)的有效整定優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是找到一種方法，能夠讓控制系統(tǒng)的在運(yùn)行前經(jīng)過初步配置，開始 運(yùn)行后系統(tǒng)能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行后的加熱爐和環(huán)境的差異，自動(dòng)將控制參數(shù)調(diào)整到最佳值。 本發(fā)明解決經(jīng)典控制方法存在的三個(gè)問題1.物理結(jié)構(gòu)相似的多個(gè)控制回路由于工作環(huán)境變化或存在差異，控制器參數(shù)無法 根據(jù)工作環(huán)境的差異和不確定性，在線自整定優(yōu)化；2.物理結(jié)構(gòu)相似的多個(gè)控制回路由于被控對(duì)象存在差別，控制器參數(shù)無法根據(jù)被 控對(duì)象的差異和不確定性，在線自整定優(yōu)化；3.物理結(jié)構(gòu)相似的多個(gè)控制回路需要反復(fù)進(jìn)行控制參數(shù)整定，控制器參數(shù)無法自動(dòng)完成這一重復(fù)的工作，在線自整定優(yōu)化； 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案本發(fā)明中的專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化系統(tǒng)由控制單元100、控 制總線110和主工作站120三個(gè)部分組成。系統(tǒng)共有S個(gè)控制單元100，每個(gè)控制單元100 的通訊接口均通過控制總線Iio與主工作站120相連接，主工作站120通過控制總線110 與S個(gè)控制單元100進(jìn)行通訊。其中S取值為大于等于1的整數(shù)。每個(gè)控制單元100包括 L個(gè)傳感器101、N個(gè)變送器102、1個(gè)控制器103、L個(gè)執(zhí)行單元104和L個(gè)被控對(duì)象105。 其中每個(gè)變送器102連接M個(gè)傳感器101，每個(gè)控制器103連接N個(gè)變送器102，其中L = MXN, L、M、N均為大于等于1的整數(shù)。本發(fā)明中的專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化系統(tǒng)，使用1個(gè)主工作站 120，通過控制總線110控制S個(gè)控制單元100，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中的T個(gè)被控對(duì)象105的控制， 其中T = LXS，S取值為大于等于1的整數(shù)。對(duì)于每個(gè)控制單元100，存在如下連接關(guān)系傳感器101的感應(yīng)端與被控對(duì)象105 的待測(cè)點(diǎn)連接，將待測(cè)點(diǎn)的待測(cè)信息轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)。傳感器101的輸出端與變送器102 的一個(gè)輸入端相連，變送器102將傳感器101采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)化的待測(cè)信號(hào)。 變送器102的輸出端與控制器103的一個(gè)輸入端相連接，控制器103根據(jù)變送器102變送 的標(biāo)準(zhǔn)化的待測(cè)信號(hào)計(jì)算得到控制量?？刂破?03的一個(gè)輸出端與執(zhí)行單元104的輸入端 相連。執(zhí)行單元104根據(jù)控制器103給出的控制量，產(chǎn)生相應(yīng)的控制輸出。執(zhí)行單元104 的輸出與被控對(duì)象105的輸入端相連，使得執(zhí)行單元104產(chǎn)生的控制輸出作用在被控對(duì)象 105 上。所述的控制器103可以為計(jì)算機(jī)、工控機(jī)、服務(wù)器、單片機(jī)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)或硬 件電路。一種專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的方法，該方法包 括如下步驟系統(tǒng)配置步驟201 在系統(tǒng)運(yùn)行前首先進(jìn)行系統(tǒng)配置，配置系統(tǒng)中將要用到的參 數(shù)和公式；系統(tǒng)初始化步驟202 將參與計(jì)算的變量賦值或清零；輸入輸出采樣步驟203 得到被控對(duì)象當(dāng)前時(shí)刻的采樣值y(k)；誤差計(jì)算步驟204 根據(jù)被控對(duì)象當(dāng)前時(shí)刻的采樣值y(k)與被控對(duì)象的目標(biāo)值 r(k)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的誤差e(k)，其中e(k) =r(k)-y(k)；誤差變化率計(jì)算步驟205 計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的誤差e(k)與前一時(shí)刻的誤差e (k_l) 之間的誤差變化率ec(k)，其中ec(k) = e(k)-e(k-l)；在線整定優(yōu)化步驟206 根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻誤差e (k)和誤差變化率ec (k)整定優(yōu)化計(jì) 算出新的控制參數(shù)Kx (k)；計(jì)算控制量步驟207 根據(jù)當(dāng)前誤差e(k)、誤差變化率ec(k)和新的控制參數(shù) Kx (k)計(jì)算出新的控制量u (k)；被控對(duì)象運(yùn)行步驟208 被控對(duì)象運(yùn)行208根據(jù)控制量u(k)產(chǎn)生相應(yīng)的模擬量 U(k)，作用在被控對(duì)象，得到控制對(duì)象新的輸出y(k+l)；至此完成了一個(gè)控制周期，令k = k+Ι，重復(fù)輸入輸出采樣步驟203至被控對(duì)象運(yùn)行步驟208。
系統(tǒng)配置步驟201為在系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行前，主工作站120通過控制總線110對(duì)控制 器103進(jìn)行參數(shù)配置，系統(tǒng)配置201只需進(jìn)行一次，配制好的參數(shù)保存在控制器103的存儲(chǔ) 器里，下次運(yùn)行時(shí)能夠直接讀取，或修改參數(shù)配置；配置的參數(shù)包括被控對(duì)象的控制目標(biāo) 值 r(k)。輸入輸出采樣步驟203具體為傳感器101將被控對(duì)象105待測(cè)點(diǎn)的待測(cè)信息轉(zhuǎn) 換成為模擬信號(hào)a (k)，經(jīng)過變送器102轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)化的待測(cè)信號(hào)r(k)；變送器102將變 送結(jié)果r(k)傳給控制器103，控制器103通過控制總線110將r(k)傳給主工作站120。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于1.系統(tǒng)和裝置設(shè)計(jì)方面，在主工作站和被控對(duì)象之間設(shè)計(jì)了較多的控制器，每個(gè) 控制器分擔(dān)較少的被控對(duì)象，這樣的結(jié)構(gòu)大大縮短了硬件維修的時(shí)間，當(dāng)局部某硬件發(fā)生 故障時(shí)，直接更換相應(yīng)的模塊即可快速修復(fù)故障，不必影響其他控制通路的工作；這種多控 制器的技術(shù)方案，便于多種控制方法在同一個(gè)控制系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用。2.專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法，改變了傳統(tǒng)控制方法的設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)，通過增加優(yōu)化器(主工作站120)，使得控制系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前輸入輸出和工作狀態(tài) 對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行在線整定優(yōu)化。控制器根據(jù)當(dāng)前的輸入輸出、工作狀態(tài)和整定優(yōu)化后的 控制參數(shù)產(chǎn)生控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。3.專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法，采用增量的方式在線整定優(yōu) 化控制器參數(shù)。這樣的設(shè)計(jì)就避免了傳統(tǒng)方法中存在的控制系統(tǒng)運(yùn)行前控制參數(shù)對(duì)工程師 經(jīng)驗(yàn)的依賴問題，也就是說降低了工程師的參數(shù)初始配置要求；增量式方法的提出，使得專 家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法具有了自動(dòng)尋找最優(yōu)控制參數(shù)的功能。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)1)本發(fā)明提出的專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法，提出了采用增 量式修正的方法對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行整定，克服了中心點(diǎn)修正式參數(shù)在線整定優(yōu)化方法無法解 決的控制回路差異大、工程師對(duì)參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)不足或者是控制器的最優(yōu)參數(shù)超出模糊控 制器的輸出范圍的問題；2)本發(fā)明設(shè)計(jì)的專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè) 控制器參數(shù)調(diào)整優(yōu)化的過程都是由算法自身實(shí)現(xiàn)的，在線參數(shù)優(yōu)化整定的過程沒有人的參 與，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)自身硬件特點(diǎn)和工作環(huán)境自動(dòng)整定調(diào)適參數(shù)。3)本發(fā)明提出的專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法，解決了物力結(jié) 構(gòu)相似的多個(gè)控制回路由于工作環(huán)境變化或存在差異，控制器參數(shù)無法根據(jù)工作環(huán)境的差 異和不確定性在線自整定優(yōu)化的問題；解決了物力結(jié)構(gòu)相似的多個(gè)控制回路由于被控對(duì)象 存在差別，控制器參數(shù)無法根據(jù)被控對(duì)象的差異和不確定性在線自整定優(yōu)化的問題；解決 了物力結(jié)構(gòu)相似的多個(gè)控制回路需要反復(fù)進(jìn)行控制參數(shù)整定，控制器參數(shù)無法自動(dòng)完成這 一重復(fù)的工作在線自整定優(yōu)化的問題。


圖1專家模糊增量式自 適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化系統(tǒng)框圖；圖2(a)執(zhí)行單元和被控對(duì)象實(shí)施例原理圖；圖2 (b)執(zhí)行單元和被控對(duì)象實(shí)施例原理圖3控制器實(shí)施例原理圖；圖4傳感器和變送器實(shí)施例原理圖；圖5專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法流程圖。

具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖1 圖5詳細(xì)說明本實(shí)施例。本發(fā)明中的專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化系統(tǒng)由控制單元100、控 制總線110和主工作站120三個(gè)部分組成。系統(tǒng)共有S個(gè)控制單元100構(gòu)成，每個(gè)控制單元100的通訊接口與控制總線110相 連接，主工作站120的通訊接口也與控制總線110相連接，主工作站120通過控制總線110 與S個(gè)控制單元100進(jìn)行通訊。其中s取值為大于等于1的整數(shù)。每個(gè)控制單元由L個(gè)傳感器101、N個(gè)變送器102、1個(gè)控制器103、L個(gè)執(zhí)行單元 104和L個(gè)被控對(duì)象105構(gòu)成。其中傳感器和執(zhí)行單元分別與被控對(duì)象一一對(duì)應(yīng)連接，1個(gè) 變送器102接M個(gè)傳感器101，1個(gè)控制器103接N個(gè)變送器102，其中L = MX N，L個(gè)執(zhí)行 單元均與控制器103相連。其中L、M、N取值為大于等于1的整數(shù)。專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化系統(tǒng)，使用1個(gè)主工作站120，通過控 制總線110控制S個(gè)控制單元100，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中的T個(gè)被控對(duì)象105的控制，其中T = LXS，其中S取值為大于等于1的整數(shù)。對(duì)于每一個(gè)被控對(duì)象105回路，存在如下連接關(guān)系傳感器101的感應(yīng)端與被控對(duì)象105的待測(cè)點(diǎn)連接，將待測(cè)點(diǎn)的待測(cè)信息轉(zhuǎn)換成 為模擬信號(hào)。傳感器101輸出端與變送器102的一個(gè)輸入端相連，變送器102將傳感器101 采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)化的待測(cè)信號(hào)。變送器102的輸出端與控制器103的一個(gè)輸 入端相連接，控制器103根據(jù)變送器102變送的標(biāo)準(zhǔn)化的待測(cè)信號(hào)，采用專家模糊增量式自 適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法得到新的控制量?？刂破?03的一個(gè)輸出端與執(zhí)行單元104 的輸入端相連，執(zhí)行單元104根據(jù)控制器103給出的控制量，產(chǎn)生相應(yīng)的控制輸出。執(zhí)行單 元104的輸出端與被控對(duì)象105的輸入相連，使得執(zhí)行單元104產(chǎn)生的控制輸出作用在被 控對(duì)象105上?？刂破?03可以是計(jì)算機(jī)、工控機(jī)、服務(wù)器、單片機(jī)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)或硬件電路。 控制器可以進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入、指令輸入，根據(jù)輸入的參數(shù)改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可以將當(dāng)前的 系統(tǒng)的工作參數(shù)、工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，可以通過通訊端口與數(shù)據(jù)總線連接，與主工作站進(jìn)行 通訊和數(shù)據(jù)交換。執(zhí)行單元104由主回路保護(hù)裝置、被控對(duì)象異常保護(hù)裝置、控制執(zhí)行裝置、主回路 監(jiān)控裝置和被控對(duì)象(負(fù)載)接入裝置五部分組成，這五部分依次串聯(lián)構(gòu)成主回路。專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法，由系統(tǒng)配置步驟201、系統(tǒng)初始 化步驟202、輸入輸出采樣步驟203、誤差計(jì)算步驟204、誤差變化率計(jì)算步驟205、在線整定 優(yōu)化步驟206、計(jì)算控制量步驟207、被控對(duì)象運(yùn)行步驟208八個(gè)步驟構(gòu)成。這八個(gè)步驟的關(guān)系是在系統(tǒng)運(yùn)行前首先進(jìn)行系統(tǒng)配置步驟201，配置系統(tǒng)中將 要用到的參數(shù)和公式；然后進(jìn)行系統(tǒng)初始化步驟202，將參與計(jì)算的變量賦值或清零；接下 來循環(huán)執(zhí)行下列步驟，每執(zhí)行一個(gè)循環(huán)即完成了一個(gè)控制周期輸入輸出采樣步驟203得到當(dāng)前時(shí)刻的輸出y(k)；誤差計(jì)算步驟204根據(jù)系統(tǒng)配置的r(k)和采樣得到的l(k)計(jì)算 出當(dāng)前誤差e(k)；誤差變化率計(jì)算步驟205根據(jù)當(dāng)前誤差e(k)計(jì)算出誤差變化率ec (k)； 在線整定優(yōu)化步驟206根據(jù)當(dāng)前誤差e(k)和誤差變化率ec(k)整定優(yōu)化計(jì)算出新的控制 參數(shù)Kx(k)；計(jì)算控制量步驟207根據(jù)當(dāng)前誤差e(k)、誤差變化率ec(k)和新的控制參數(shù) Kx(k)計(jì)算出新的控制量u(k)；被控對(duì)象運(yùn)行步驟208根據(jù)控制量u(k)產(chǎn)生相應(yīng)的模擬量 U(k)，作用在被控對(duì)象，得到控制系統(tǒng)新的輸出y(k+l)；至此完成了一個(gè)控制周期，令k = k+Ι，重復(fù)步驟輸入輸出采樣步驟203至被控對(duì)象運(yùn)行步驟208。詳細(xì)步驟如下5. 1系統(tǒng)配置步驟201 在系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行前，主工作站120通過控制總線110對(duì)控制器103進(jìn)行參數(shù)配置， 參數(shù)配置也可以通過控制器103的鍵盤和顯示裝置進(jìn)行，系統(tǒng)配置201只需進(jìn)行一次，配制 好的參數(shù)保存在控制器103的存儲(chǔ)器里，下次運(yùn)行時(shí)可以直接讀取，可以修改參數(shù)配置。配置控制目標(biāo)值TR，配置控制參數(shù)初始值KOx，其中X表示參數(shù)的編號(hào)或含義，配 置專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化規(guī)則公式1 Ax(e(k)，ec(k))=
Ax(h,h) ,when \e(k)\ > Ehigh and \ec(k)\ > EChlgh
Ax ("，m) ，when \<k)\ ^ Ehlgh and EClow < \ec(k)\ < EChlgh
Ax(h,I) ,when \e(k)\ > Ehlgh and 0 < \ec(k)\ < EClow
Ax(m,h) ,when Elow < \e(k)\ < Ehlgh and \ec(k)\ > EChlgh ( λ )\Ax{m,m) ,when Elow < \e{k)\ < Ehlgh and EClow < \ec{k)\ < EChlgh
Ax (m, I) ，when Elow < \e(k)\ < Ehlgh and 0 < \ec(k)\ < EClow Ax(I,h) ,when 0 < \e{k)\ < Elow and \ec{k)\ > EChlgh Ax (I, m) ，when 0 < \e(k)\ < Elow and EClow < \ec(k)\ < EChlgh Ax (I, I) ，when 0 < \e(k)\ < Elow and 0 < \ec(k)\ < EClow其中e(k)表示當(dāng)前時(shí)刻k采集值y(k)與目標(biāo)值r(k)的誤差，Ax(e (k)，ec (k))表 示X參數(shù)的值根據(jù)當(dāng)前誤差e(k)和誤差變化率ec(k)所決定的修正量，Ehigh、E1(W分別表示 劃分當(dāng)前誤差e(k)和誤差變化率ec(k)的組合處于那個(gè)狀態(tài)的邊界值；h，m, 1分別表示 e (k)、ec (k)與Ehigh、Elow比較后決定的取值所在的狀態(tài)。配置參數(shù)整定優(yōu)化公式Kx (k) = F (K0X, Kx (k-Ι)，Ax (e (k)，ec (k)))，其中k表示當(dāng) 前時(shí)刻，k-Ι表示上一個(gè)整定優(yōu)化周期的采樣時(shí)刻，Kx(k-1)表示X參數(shù)在本次整定優(yōu)化前 的值；專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法中，參數(shù)整定優(yōu)化公式如式2所示Kx (k) = F (K0X, Kx (k-1), Ax (e (k), ec (k)))(2)配置控制輸出公式u(k) =6(11&-1)，1()(00)，其中11(10表示當(dāng)前整定周期(第k 個(gè)整定周期)的控制輸出，u (k-Ι)表示前一個(gè)整定周期(第k-Ι個(gè)整定周期)的控制輸出； 專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法中，控制輸出公式為式3 u(k) = u(k-l) + Au(k)(3)其中Au(k)為控制量的增量，其中e(k)表示當(dāng)前整定周期(第k個(gè)整定周期) 的誤差，e (k-Ι)表示上一個(gè)整定周期(第k-Ι個(gè)整定周期)的誤差，e(k_2)表示第k_2個(gè) 整定周期的誤差，其中計(jì)算公式為式4 u(k) = G(u(k-1), Kx(k))(4)
5. 2系統(tǒng)初始化步驟202令 k = 0 ；令e (-1) = 0 ；令 e (_2) = 0 ；令u (0) = 0 ；令 u (-1) = 0 ；令Kx (k) = KOx ；5. 3輸入輸出采樣步驟203傳感器101將被控對(duì)象105待測(cè)點(diǎn)的待測(cè)信息轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)a(k)，經(jīng)過變送 器102轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)化的待測(cè)信號(hào)r(k)；變送器102將變送結(jié)果r(k)傳給控制器103，控 制器103通過控制總線110將r (k)傳給主工作站120 ；5. 4誤差計(jì)算步驟204主工作站120中，令r(k) = TR，按照式5計(jì)算當(dāng)前誤差e (k)e(k) = r (k) -y (k)(5)5. 5誤差變化率計(jì)算步驟205主工作站120中，按照式6計(jì)算當(dāng)前誤差變化率ec(k)ec(k) = e(k)-e(k-l)(6)5. 6在線整定優(yōu)化步驟206主工作站120，根據(jù)式1計(jì)算Ax(e(k)，ec(k))；接下來，按照式2計(jì)算控制參數(shù)Kx (k)；最后，按照式7至式9，對(duì)本周期計(jì)算結(jié)果進(jìn)行保存e(k-2) = e(k-1)(7)e (k-1) = e (k)(8)u (k-1) = u(k)(9)通過控制總線110將Kx (k)傳給控制器103 ；5. 7計(jì)算控制量步驟207控制器103按照式3和式4計(jì)算控制量u (k)；5. 8被控對(duì)象運(yùn)行步驟208u(k)通過控制總線110從主工作站傳回控制器103，控制器103將u(k)輸出給執(zhí) 行單元104，執(zhí)行單元104根據(jù)控制量u (k)產(chǎn)生相應(yīng)的模擬量U (k)，作用在被控對(duì)象105 上，被控對(duì)象105在U(k)做出響應(yīng)，得到控制系統(tǒng)輸出值y(k)；按照式10，當(dāng)前時(shí)刻自增1個(gè)采樣周期k = k+1(10)跳轉(zhuǎn)到步驟5. 3，重復(fù)步驟5. 3至5. 8。實(shí)施例本實(shí)施例以采用了專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法的石油化工 60路溫控生產(chǎn)線系統(tǒng)為例。在詳細(xì)描述系統(tǒng)硬件連接關(guān)系和實(shí)施過程后，通過實(shí)際演算說 明了本發(fā)明提出的自適應(yīng)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)異常檢測(cè)故障診斷分類方法在其它領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)的 具體實(shí)施過程，以便加深讀者對(duì)本發(fā)明內(nèi)容的理解。1.采用了專 家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法的石油化工60路溫控 生產(chǎn)線系統(tǒng)的實(shí)施方案如下
采用了專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法的石油化工60路溫控生 產(chǎn)線系統(tǒng)由控制單元100、控制總線110、主工作站120三個(gè)部分組成。其中主工作站120 使用一臺(tái)服務(wù)器(計(jì)算機(jī))，控制總線110采用RS485總線，共有15個(gè)控制單元組成100。 每個(gè)控制單元100的通訊接口與控制總線110相連接，主工作站120的通訊接口也與控制 總線110相連接，主工作站120通過數(shù)據(jù)總線與15個(gè)控制單元100進(jìn)行通訊。每個(gè)控制單元由4個(gè)傳感器101、2個(gè)變送器102、1個(gè)控制器103、4個(gè)執(zhí)行單元 104和4個(gè)被控對(duì)象105構(gòu)成。其中1個(gè)變送器102接2個(gè)傳感器101，1個(gè)控制器103接 2個(gè)變送器102。傳感器101選用PtlOO溫度傳感器，采用三線制傳感器接法，以克服傳輸距離過長 導(dǎo)致的傳感器信號(hào)衰減。傳感器101的感應(yīng)端與被控對(duì)象105的待測(cè)點(diǎn)連接，將待測(cè)點(diǎn)的 待測(cè)信息轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)。被控對(duì)象105為加熱爐，加熱爐的內(nèi)部是一根盤旋的電阻絲，當(dāng)加熱爐的輸入加 上0 220V的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，電阻絲將電能轉(zhuǎn)化成為熱能，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子內(nèi)部的加熱。通過 PtlOO溫度傳感器采集爐體內(nèi)溫度，產(chǎn)生相應(yīng)的電阻值。變送器102選用型號(hào)為YUDIAN-AI-7021的PtlOO溫度變送器，參見圖4。PtlOO 溫度變送器的兩個(gè)傳感器接入端采用三線制的方式接入兩只Ptioo溫度傳感器，PtlOO溫 度變送器的兩個(gè)傳感器的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器信號(hào)輸出端分別與控制器103的標(biāo)準(zhǔn)傳感器信 號(hào)輸入端相連接。Ptioo溫度變送器的電源直接接220V電源。控制器103選用型號(hào)為YUDIAN-AI-7048的PID控制器，參見圖3。PID控制器的 四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器信號(hào)輸入端分別與來自兩個(gè)Ptioo溫度變送器的四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器信號(hào)輸 出端并聯(lián)50Ω電阻后相連。PtlOO溫度變送器輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)傳感器電流信號(hào)，通過并聯(lián) 50 Ω電阻，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為200mV-lV的PID控制器標(biāo)準(zhǔn)電壓輸入信號(hào)。PID控制器的四個(gè)控 制輸出分別接到執(zhí)行單元104中控制執(zhí)行裝置的控制量輸入端。執(zhí)行單元104由主回路保護(hù)裝置，被控對(duì)象異常保護(hù)裝置，控制執(zhí)行裝置，主回路 監(jiān)控裝置和被控對(duì)象(負(fù)載)接入裝置五部分組成，這五部分依次串聯(lián)構(gòu)成主回路。主回路保護(hù)裝置選用空氣開關(guān)，被控對(duì)象異常保護(hù)裝置選用過溫保護(hù)模塊與繼電 器，控制執(zhí)行裝置選用固態(tài)繼電器，主回路監(jiān)控裝置選用電流互感器，被控對(duì)象(負(fù)載)接 入裝置選用強(qiáng)電接線端子?？諝忾_關(guān)的輸入端1、輸入端2分別接在主回路的火線和零線，輸出端3、輸出端4 分別為后級(jí)電路的火線和零線，作用是當(dāng)回路中電流過大時(shí)切斷主回路，保護(hù)其他裝置。過 溫保護(hù)模塊和繼電器串聯(lián)共同構(gòu)成過溫保護(hù)電路，過溫保護(hù)模塊的輸入端1、輸入端2分別 火線和零線連接用于給過溫保護(hù)模塊供電，過溫保護(hù)模塊的輸出端3和繼電器的輸入端2 與零線相連，構(gòu)成參考零點(diǎn)，過問保護(hù)模塊的輸出端4與繼電器的輸入端1相連，實(shí)現(xiàn)過問 保護(hù)模塊對(duì)繼電器的開關(guān)控制，過溫保護(hù)模塊的輸入端9、輸入端11接來自于被控對(duì)象的 溫度傳感器，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時(shí)，其輸出端3和輸出端4輸出關(guān)斷信號(hào)，繼電器的輸出端 3、輸出端4串連接在火線上，根據(jù)過溫保護(hù)模塊的輸出對(duì)主回路進(jìn)行通斷控制。固態(tài)繼電 器的控制量輸入端“ + ”、輸入端“”與控制器103的控制量輸出相連接，實(shí)現(xiàn)控制器通過PWM 通斷的形式對(duì)主回路的控制。主回路傳入電流互感器的原邊，電流互感器的副邊與發(fā)光二 極管相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)主回路通斷的監(jiān)控。強(qiáng)電接線端子串聯(lián)接在主回路中，實(shí)現(xiàn)將被控對(duì)象105接入執(zhí)行單元104。專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法由系統(tǒng)配置步驟201、系統(tǒng)初始 化步驟202、輸入輸出采樣步驟203、誤差計(jì)算步驟204、誤差變化率計(jì)算步驟205、在線整定 優(yōu)化步驟206、計(jì)算控制量步驟207和被控對(duì)象運(yùn)行步驟208八個(gè)步驟構(gòu)成。這八個(gè)步驟的關(guān)系是在系統(tǒng)運(yùn)行前首先進(jìn)行系統(tǒng)配置步驟201，配置系統(tǒng)中將 要用到的參數(shù)和公式；然后進(jìn)行系統(tǒng)初始化步驟202，將參與計(jì)算的變量賦值或清零；接下 來循環(huán)執(zhí)行下列步驟，每執(zhí)行一個(gè)循環(huán)即完成了一個(gè)控制周期輸入輸出采樣步驟203得 到當(dāng)前時(shí)刻的輸出y(k)；誤差計(jì)算步驟204根據(jù)系統(tǒng)配置的r(k)和采樣得到的y(k)計(jì)算 出當(dāng)前誤差e(k)；誤差變化率計(jì)算步驟205根據(jù)當(dāng)前誤差e(k)計(jì)算出誤差變化率ec (k)； 在線整定優(yōu)化步驟206根據(jù)當(dāng)前誤差e(k)和誤差變化率ec(k)整定優(yōu)化計(jì)算出新的控制 參數(shù)Kx(k)；計(jì)算控制量步驟207根據(jù)當(dāng)前誤差e(k)、誤差變化率ec(k)和新的控制參數(shù) Kx(k)計(jì)算出新的控制量u(k)；被控對(duì)象運(yùn)行步驟208根據(jù)控制量u(k)產(chǎn)生相應(yīng)的模擬量 U(k)，作用在被控對(duì)象，得到控制系統(tǒng)新的輸出y(k+l)；至此完成了一個(gè)控制周期，令k = k+Ι，重復(fù)步驟輸入輸出采樣步驟203至被控對(duì)象運(yùn)行步驟208。本實(shí)施例中，專家模糊增量 式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法應(yīng)用對(duì)象是對(duì)經(jīng)典PID控制，即專家模糊增量式自適應(yīng) 的PID參數(shù)在線整定優(yōu)化方法，下文提到的X參數(shù)指的是Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)。詳細(xì)步驟如 下2.1系統(tǒng)配置步驟201在系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行前，主工作站120通過控制總線110對(duì)控制器103進(jìn)行參數(shù)配置， 參數(shù)配置也可以通過控制器103的鍵盤和顯示裝置進(jìn)行，系統(tǒng)配置201只需進(jìn)行一次，配制 好的參數(shù)保存在控制器103的存儲(chǔ)器里，下次運(yùn)行時(shí)可以直接讀取，可以修改參數(shù)配置；配置控制目標(biāo)值TR = 200 (°C )。配置控制參數(shù)初始值
權(quán)利要求
1.一種專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于由控制單元 (100)、控制總線(110)和主工作站(120)三個(gè)部分組成；系統(tǒng)共有S個(gè)控制單元(100)，每 個(gè)控制單元(100)的通訊接口均通過控制總線(110)與主工作站(120)相連接，主工作站 (120)通過控制總線(110)與S個(gè)控制單元(100)進(jìn)行通訊；其中s取值為大于等于1的整數(shù)；每個(gè)控制單元100包括L個(gè)傳感器(101)、N個(gè)變送器(10 、1個(gè)控制器(10 、L個(gè) 執(zhí)行單元(104)和L個(gè)被控對(duì)象(105)；傳感器和執(zhí)行單元分別與被控對(duì)象一一對(duì)應(yīng)連接， 其中1個(gè)變送器(10 接M個(gè)傳感器(101)，1個(gè)控制器(10 接N個(gè)變送器(102)，其中L = MXN, L、M、N均為大于等于1的整數(shù)；主工作站(120)通過控制總線(110)對(duì)S個(gè)控制單元(100)的共T個(gè)被控對(duì)象(105) 進(jìn)行控制，其中T = LX S，S取值為大于等于1的整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化系統(tǒng)，其特 征在于對(duì)于所述每個(gè)控制單元(100)，存在如下連接關(guān)系傳感器(101)的感應(yīng)端與被控對(duì)象(10 的待測(cè)點(diǎn)連接，將待測(cè)點(diǎn)的待測(cè)信息轉(zhuǎn)換成 模擬信號(hào)；傳感器(101)的輸出端與變送器(102)的一個(gè)輸入端相連，變送器(10 將傳 感器(101)采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)化的待測(cè)信號(hào)；變送器(10 的輸出端與控制器 (103)的一個(gè)輸入端相連接，控制器(10 根據(jù)變送器(10 變送的標(biāo)準(zhǔn)化的待測(cè)信號(hào)計(jì)算 得到控制量；控制器(10 的一個(gè)輸出端與執(zhí)行單元(104)的輸入端相連，執(zhí)行單元(104) 根據(jù)控制器(10 給出的控制量，產(chǎn)生相應(yīng)的控制輸出；執(zhí)行單元(104)的輸出與被控對(duì)象 (105)的輸入端相連，使得執(zhí)行單元(104)產(chǎn)生的控制輸出作用在被控對(duì)象(10 上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化系統(tǒng)，其特 征在于所述的控制器(10 為計(jì)算機(jī)、工控機(jī)、服務(wù)器、單片機(jī)系統(tǒng)或嵌入式系統(tǒng)。
4.使用權(quán)利要求1中所述的一種專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn) 行優(yōu)化的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟系統(tǒng)配置步驟O01)在系統(tǒng)運(yùn)行前首先配置系統(tǒng)中要用到的參數(shù)； 系統(tǒng)初始化步驟O02)將參與計(jì)算的變量賦值或清零； 輸入輸出采樣步驟O03)得到被控對(duì)象當(dāng)前時(shí)刻的采樣值y(e)； 誤差計(jì)算步驟O04)根據(jù)被控對(duì)象當(dāng)前時(shí)刻的采樣值y(e)與被控對(duì)象的目標(biāo)值r(k) 計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的誤差e(k)，其中e(k) =r(k)-y(e)；誤差變化率計(jì)算步驟O05)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的誤差e(k)與前一時(shí)刻的誤差e(k-l)之 間的誤差變化率ec (k)，其中ec (k) = e (k) -e (k_l)；在線整定優(yōu)化步驟O06)根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻誤差e(k)和誤差變化率ec(k)整定優(yōu)化計(jì)算 出新的控制參數(shù)Kx (k)；計(jì)算控制量步驟(207)根據(jù)當(dāng)前誤差e(k)、誤差變化率ec(k)和新的控制參數(shù)&(10 計(jì)算出新的控制量u (k)；被控對(duì)象運(yùn)行步驟O08)被控對(duì)象運(yùn)行(208)根據(jù)控制量u(k)產(chǎn)生相應(yīng)的模擬量 U(k)作用在被控對(duì)象，得到控制對(duì)象新的輸出y(k+l)；至此完成了一個(gè)控制周期，令k = k+Ι，重復(fù)輸入輸出采樣步驟(20 至被控對(duì)象運(yùn)行步驟008)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法，其特征在于，系統(tǒng)配置步驟O01)為在系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行前，主工作站(120)通過控制總線(110) 對(duì)控制器(10 進(jìn)行參數(shù)配置，系統(tǒng)配置(201)只需進(jìn)行一次，配制好的參數(shù)保存在控制器 (103)的存儲(chǔ)器里，下次運(yùn)行時(shí)能夠直接讀取，或修改參數(shù)配置；配置的參數(shù)包括被控對(duì)象 的控制目標(biāo)值r(k)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法，其特 征在于，輸入輸出采樣步驟(20 具體為傳感器(101)將被控對(duì)象(10 待測(cè)點(diǎn)的待測(cè) 信息轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)a (k)，經(jīng)過變送器(10 轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)化的待測(cè)信號(hào)r(k)；變送器 (102)將變送結(jié)果r(k)傳給控制器(103)，控制器(103)通過控制總線(110)將r(k)傳給 主工作站(120)。
全文摘要
本發(fā)明是一種專家模糊增量式自適應(yīng)的參數(shù)在線整定優(yōu)化系統(tǒng)及方法，可應(yīng)用控制、人工智能領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括控制單元、控制總線和主工作站。系統(tǒng)有S個(gè)控制單元，每個(gè)控制單元的通訊接口均通過控制總線與主工作站相連接，主工作站通過控制總線與S個(gè)控制單元進(jìn)行通訊。本發(fā)明中的參數(shù)在線整定優(yōu)化方法由系統(tǒng)配置步驟、系統(tǒng)初始化步驟、輸入輸出采樣步驟、誤差計(jì)算步驟、誤差變化率計(jì)算步驟、在線整定優(yōu)化步驟、計(jì)算控制量步驟和被控對(duì)象運(yùn)行步驟。本發(fā)明解決了物力結(jié)構(gòu)相似的多個(gè)控制回路由于工作環(huán)境變化或存在差異，控制器參數(shù)無法根據(jù)工作環(huán)境的差異和不確定性，無法根據(jù)被控對(duì)象的差異和不確定性，無法自動(dòng)完成這一重復(fù)的工作在線自整定優(yōu)化的問題。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102073274SQ20111002394
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2011年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月21日
發(fā)明者劉經(jīng)緯, 楊蕾, 王普 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)