一種基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器，包括一個(gè)由各回路PID控制器及其解耦補(bǔ)償器構(gòu)成的多變量解耦控制器，一個(gè)用于記憶執(zhí)行器故障特性方程及其對(duì)應(yīng)控制策略的存儲(chǔ)模塊，一個(gè)用于監(jiān)視執(zhí)行器運(yùn)行故障的故障檢測(cè)模塊，一個(gè)用于識(shí)別故障情況并調(diào)用相應(yīng)重構(gòu)控制策略的決策模塊以及一個(gè)用于對(duì)當(dāng)前控制策略進(jìn)一步調(diào)整并優(yōu)化的學(xué)習(xí)模塊；將控制系統(tǒng)的執(zhí)行器故障看作抗原，對(duì)應(yīng)的控制策略看作抗體，從而將控制系統(tǒng)類比為一個(gè)免疫系統(tǒng)，使其具有自動(dòng)維持系統(tǒng)穩(wěn)定的能力。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了碳纖維凝固浴控制系統(tǒng)在發(fā)生執(zhí)行器故障時(shí)控制器的在線快速重構(gòu)，提高了控制系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，進(jìn)一步保證了凝固浴環(huán)節(jié)的安全性和穩(wěn)定性。
【專利說(shuō)明】一種基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬控制器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器。

【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維原絲的生產(chǎn)是一個(gè)高度復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程，以聚丙烯腈基碳纖維原絲的生產(chǎn) 為例，其生產(chǎn)線包括原液聚合、噴絲、凝固浴、牽伸浴、預(yù)氧化與碳化等諸多環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)間 具有聯(lián)動(dòng)作用。其中，凝固浴是原絲生產(chǎn)最基本的環(huán)節(jié)，對(duì)最終的原絲結(jié)構(gòu)與性能具有決定 性作用。一旦凝固浴環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性或安全性受到威脅，整個(gè)原絲生產(chǎn)線的可靠性均會(huì)被嚴(yán) 重影響。
[0003] 由于任何工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程都會(huì)具備一定的不確定性，對(duì)于碳纖維凝固浴控制系統(tǒng)， 故障的潛伏往往不可避免，特別是長(zhǎng)期執(zhí)行控制任務(wù)的執(zhí)行器機(jī)構(gòu)，發(fā)生故障的概率相對(duì) 較大。目前的凝固浴控制系統(tǒng)主要利用多個(gè)PID控制器分別對(duì)各控制變量進(jìn)行單回路閉環(huán) 控制，對(duì)于流量閥故障情況下的控制系統(tǒng)研究尚未涉及。如何最大程度地保證控制系統(tǒng)的 安全性和可靠性，提高故障情況下凝固浴控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)提高碳纖維原絲的生產(chǎn)效 益有很大意義。
[0004] 重構(gòu)控制理論，主要指當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，在線或離線地對(duì)控制器的結(jié)構(gòu)和 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使得故障后的系統(tǒng)性能盡量接近正常系統(tǒng)。目前重構(gòu)控制技術(shù)主要應(yīng)用于 無(wú)人機(jī)等飛控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)飛行器故障情況下的容錯(cuò)控制，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用較少，目 前也沒(méi)有在碳纖維凝固浴控制系統(tǒng)中的應(yīng)用先例。另外，現(xiàn)有的可重構(gòu)控制技術(shù)都不具有 在線記憶故障模式的功能，對(duì)于同樣的故障情況難以快速應(yīng)答。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有碳纖維原絲生產(chǎn)過(guò)程在執(zhí)行器故障情況下無(wú)法確?？刂葡到y(tǒng)安 全性與可靠性的不足，將生物免疫機(jī)制與重構(gòu)控制理論相結(jié)合，提出了一種基于免疫機(jī)制 的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器，具體涉及將凝固浴控制系統(tǒng)類比為一個(gè)具有自穩(wěn)功能的生物 免疫系統(tǒng)，將控制系統(tǒng)的故障看作抗原入侵，將重構(gòu)控制器的過(guò)程看作免疫應(yīng)答，同時(shí)引入 免疫監(jiān)視機(jī)制、免疫記憶機(jī)制以及免疫學(xué)習(xí)機(jī)制，模仿免疫系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)、控制器重 構(gòu)、控制策略記憶以及控制參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化等步驟，實(shí)現(xiàn)了碳纖維凝固浴控制系統(tǒng)的執(zhí) 行器故障診斷及控制器快速重構(gòu)等功能，使控制系統(tǒng)在執(zhí)行器故障時(shí)能自動(dòng)恢復(fù)穩(wěn)定，全 面保證系統(tǒng)的控制性能。
[0006] 由于生物免疫系統(tǒng)具有自主監(jiān)視、防御、自穩(wěn)及自學(xué)習(xí)等功能，免疫機(jī)制中的免疫 監(jiān)視、免疫應(yīng)答、免疫記憶以及克隆選擇等機(jī)制，與重構(gòu)控制系統(tǒng)具有相似的調(diào)控目標(biāo)，因 而可以將生物免疫機(jī)制與重構(gòu)控制理論相結(jié)合，利用免疫系統(tǒng)的機(jī)理來(lái)設(shè)計(jì)能快速恢復(fù)穩(wěn) 態(tài)的重構(gòu)控制系統(tǒng)。將生物免疫機(jī)制與可重構(gòu)控制理論相結(jié)合，為碳纖維凝固浴的控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)重構(gòu)控制器，并將凝固浴控制系統(tǒng)類比為一個(gè)具有自穩(wěn)功能的生物免疫系統(tǒng)， 模仿免疫系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)、控制器重構(gòu)以及控制策略記憶等步驟，可以實(shí)現(xiàn)碳纖維凝固 浴控制系統(tǒng)的快速重構(gòu)，全面保證系統(tǒng)的控制性能。
[0007] 本發(fā)明的一種基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器，所述基于免疫機(jī)制的碳 纖維凝固浴重構(gòu)控制器的控制對(duì)象為一個(gè)帶有DMS0溶液入口、高溫水入口、低溫水入口及 溶液出口的碳纖維凝固浴浴槽，各出入口均安裝執(zhí)行器即流量閥，各出入口的液體流量均 通過(guò)流量閥調(diào)節(jié)，所述基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器包括：
[0008] -個(gè)多變量解耦控制器，由液面高度回路、溫度回路和濃度回路各自的PID控制 器及各自的解耦補(bǔ)償器共同組成；每個(gè)回路中包含一個(gè)PID控制器和兩個(gè)解耦補(bǔ)償器，兩 個(gè)解耦補(bǔ)償器分別用于抵消其他兩個(gè)回路對(duì)該回路的耦合作用；
[0009] -個(gè)記憶抗體庫(kù)的存儲(chǔ)模塊，用于記憶各流量閥的故障特性方程及其對(duì)應(yīng)的控制 策略，實(shí)現(xiàn)免疫系統(tǒng)中的記憶功能；所述的存儲(chǔ)模塊由三個(gè)記憶單元組成，分別為DMS0溶 液流量閥記憶單元、高溫水流量閥記憶單元與低溫水流量閥記憶單元；所述的故障特性方 程，指流量閥在故障情況下的輸入輸出特性方程；
[0010] 一個(gè)監(jiān)視抗原入侵的故障檢測(cè)模塊，用于在系統(tǒng)投運(yùn)后對(duì)各流量閥的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn) 行故障判斷，實(shí)現(xiàn)免疫系統(tǒng)中的監(jiān)視功能；
[0011] 一個(gè)識(shí)別與清除抗原的決策模塊，用于在檢測(cè)到流量閥故障后從存儲(chǔ)模塊中搜索 親和度最高的故障特性方程并調(diào)用相應(yīng)的控制策略對(duì)多變量解耦控制器進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)后 計(jì)算各回路的絕對(duì)誤差積分指標(biāo)，并判斷各回路的絕對(duì)誤差積分指標(biāo)是否過(guò)大，實(shí)現(xiàn)免疫 系統(tǒng)中的應(yīng)答和-次應(yīng)答功能；
[0012] 一個(gè)進(jìn)化抗體的學(xué)習(xí)模塊，用于在檢測(cè)到絕對(duì)誤差積分指標(biāo)過(guò)大時(shí)，在線辨識(shí)實(shí) 際故障特性方程以調(diào)整解耦補(bǔ)償器，解耦補(bǔ)償器調(diào)整完成后，再基于多目標(biāo)免疫克隆選擇 算法對(duì)故障回路的PID控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終將實(shí)際故障特性方程、調(diào)整及優(yōu)化后的 控制策略加入存儲(chǔ)模塊，實(shí)現(xiàn)免疫系統(tǒng)中的自適應(yīng)學(xué)習(xí)功能；
[0013] 所述基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器、所述碳纖維凝固浴浴槽和所述執(zhí) 行器構(gòu)成控制系統(tǒng)，并且所述控制系統(tǒng)還包括流量計(jì)，用于測(cè)量各液體進(jìn)入凝固浴準(zhǔn)備槽 的實(shí)際流量，即測(cè)量各流量閥在其輸入的控制信號(hào)下的實(shí)際輸出的流量，用于判斷流量閥 是否故障；
[0014] 所述執(zhí)行器，液面高度回路的執(zhí)行器為DMS0溶液流量閥，溫度回路的執(zhí)行器為高 溫水流量閥，濃度回路的執(zhí)行器為低溫水流量閥；
[0015] 所述流量計(jì)，每個(gè)執(zhí)行器后各安裝一流量計(jì)，并與所述監(jiān)視抗原入侵的故障檢測(cè) 模塊通過(guò)信號(hào)線連接；
[0016] 將控制系統(tǒng)看作一個(gè)生物免疫系統(tǒng)，將控制系統(tǒng)的執(zhí)行器故障看作抗原，對(duì)應(yīng)的 控制策略看作抗體，控制系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行器故障的處理看作免疫系統(tǒng)應(yīng)對(duì)抗原入侵；控制目標(biāo) 輸入到所述基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器的多變量解耦控制器，多變量解耦控 制器的輸出同時(shí)連接執(zhí)行器和監(jiān)視抗原入侵的故障檢測(cè)模塊；執(zhí)行器的輸出同時(shí)連接碳纖 維凝固浴浴槽和流量計(jì)，流量計(jì)測(cè)量得到的信號(hào)傳送到監(jiān)視抗原入侵的故障檢測(cè)模塊；監(jiān) 視抗原入侵的故障檢測(cè)模塊的輸出連接識(shí)別與清除抗原的決策模塊，識(shí)別與清除抗原的決 策模塊的一個(gè)輸出連接多變量解耦控制器，另一個(gè)輸出則連接進(jìn)化抗體的學(xué)習(xí)模塊；進(jìn)化 抗體的學(xué)習(xí)模塊的另一個(gè)輸入為控制系統(tǒng)的控制誤差，它的一個(gè)輸出連接多變量解耦控制 器，另一個(gè)輸出則連接記憶抗體庫(kù)的存儲(chǔ)模塊，記憶抗體庫(kù)的存儲(chǔ)模塊的輸出連接識(shí)別與 清除抗原的決策模塊；碳纖維凝固浴浴槽的輸出反饋至多變量解耦控制器，用以計(jì)算控制 系統(tǒng)的控制誤差。
[0017] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案：
[0018] 如上所述的一種基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器，所述碳纖維凝固浴浴 槽的數(shù)學(xué)模型為：
[0019]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器，所述基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴 重構(gòu)控制器的控制對(duì)象為一個(gè)帶有DMSO溶液入口、高溫水入口、低溫水入口及溶液出口的 碳纖維凝固浴浴槽，各出入口均安裝執(zhí)行器即流量閥，各出入口的液體流量均通過(guò)流量閥 調(diào)節(jié)，其特征是，所述基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器包括： 一個(gè)多變量解耦控制器，由液面高度回路、溫度回路和濃度回路各自的PID控制器及 各自的解耦補(bǔ)償器共同組成；每個(gè)回路中包含一個(gè)PID控制器和兩個(gè)解耦補(bǔ)償器，兩個(gè)解 耦補(bǔ)償器分別用于抵消其他兩個(gè)回路對(duì)該回路的耦合作用； 一個(gè)記憶抗體庫(kù)的存儲(chǔ)模塊，用于記憶各流量閥的故障特性方程及其對(duì)應(yīng)的控制策 略；所述的存儲(chǔ)模塊由三個(gè)記憶單元組成，分別為DMSO溶液流量閥記憶單元、高溫水流量 閥記憶單元與低溫水流量閥記憶單元；所述的故障特性方程，指流量閥在故障情況下的輸 入輸出特性方程； 一個(gè)監(jiān)視抗原入侵的故障檢測(cè)模塊，用于在系統(tǒng)投運(yùn)后對(duì)各流量閥的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行故 障判斷； 一個(gè)識(shí)別與清除抗原的決策模塊，用于在檢測(cè)到流量閥故障后從存儲(chǔ)模塊中搜索親和 度最高的故障特性方程并調(diào)用相應(yīng)的控制策略對(duì)多變量解耦控制器進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)后計(jì)算 各回路的絕對(duì)誤差積分指標(biāo)，并判斷各回路的絕對(duì)誤差積分指標(biāo)是否過(guò)大； 一個(gè)進(jìn)化抗體的學(xué)習(xí)模塊，用于在檢測(cè)到絕對(duì)誤差積分指標(biāo)過(guò)大時(shí)，在線辨識(shí)實(shí)際故 障特性方程以調(diào)整解耦補(bǔ)償器，解耦補(bǔ)償器調(diào)整完成后，再基于多目標(biāo)免疫克隆選擇算法 對(duì)故障回路的PID控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終將實(shí)際故障特性方程、調(diào)整及優(yōu)化后的控制 策略加入存儲(chǔ)模塊； 所述基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器、所述碳纖維凝固浴浴槽和所述執(zhí)行器 構(gòu)成控制系統(tǒng)，并且所述控制系統(tǒng)還包括流量計(jì)； 所述執(zhí)行器，液面高度回路的執(zhí)行器為DMSO溶液流量閥，溫度回路的執(zhí)行器為高溫水 流量閥，濃度回路的執(zhí)行器為低溫水流量閥； 所述流量計(jì)，每個(gè)執(zhí)行器后各安裝一流量計(jì)，并與所述監(jiān)視抗原入侵的故障檢測(cè)模塊 通過(guò)信號(hào)線連接； 將控制系統(tǒng)看作一個(gè)生物免疫系統(tǒng)，將控制系統(tǒng)的執(zhí)行器故障看作抗原，對(duì)應(yīng)的控制 策略看作抗體，控制系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行器故障的處理看作免疫系統(tǒng)應(yīng)對(duì)抗原入侵；控制目標(biāo)輸入 到所述基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器的多變量解耦控制器，多變量解耦控制器 的輸出同時(shí)連接執(zhí)行器和監(jiān)視抗原入侵的故障檢測(cè)模塊；執(zhí)行器的輸出同時(shí)連接碳纖維凝 固浴浴槽和流量計(jì)，流量計(jì)測(cè)量得到的信號(hào)傳送到監(jiān)視抗原入侵的故障檢測(cè)模塊；監(jiān)視抗 原入侵的故障檢測(cè)模塊的輸出連接識(shí)別與清除抗原的決策模塊，識(shí)別與清除抗原的決策模 塊的一個(gè)輸出連接多變量解耦控制器，另一個(gè)輸出則連接進(jìn)化抗體的學(xué)習(xí)模塊；進(jìn)化抗體 的學(xué)習(xí)模塊的另一個(gè)輸入為控制系統(tǒng)的控制誤差，它的一個(gè)輸出連接多變量解耦控制器， 另一個(gè)輸出則連接記憶抗體庫(kù)的存儲(chǔ)模塊，記憶抗體庫(kù)的存儲(chǔ)模塊的輸出連接識(shí)別與清除 抗原的決策模塊；碳纖維凝固浴浴槽的輸出反饋至多變量解耦控制器，用以計(jì)算控制系統(tǒng) 的控制誤差。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器，其特征在 于，所述碳纖維凝固浴浴槽的數(shù)學(xué)模型為：
所述的解耦補(bǔ)償器按照反饋補(bǔ)償解耦原理得到，當(dāng)執(zhí)行器正常工作時(shí)，液面高度回路 的解耦補(bǔ)償器為
用于抵消 溫度回路對(duì)液面高度回路的作用，其輸入為高溫水流量閥的控制信號(hào)，Graml3(s)用于抵消濃 度回路對(duì)液面高度回路的作用，其輸入為低溫水流量閥的控制信號(hào)；溫度回路的解耦補(bǔ)償 器為
用 于抵消液面高度回路對(duì)溫度回路的作用，其輸入為DMSO溶液流量閥的控制信號(hào)，G_23(s) 用于抵消濃度回路對(duì)溫度回路的作用，其輸入為低溫水流量閥的控制信號(hào)；濃度回路的解 耦補(bǔ)償器戈
其中，
用于抵消液面高度回路對(duì)濃度回路的作用，其輸入為DMSO溶液流量閥的控制信 號(hào)，
（s)用于抵消溫度回路對(duì)濃度回路的作用，其輸入為高溫水流量閥的控制信號(hào)； 所述的PID控制器，液面高度回路的PID控制器輸入為液面高度回路的控制誤差，其 輸出與~
(s)乖
（s)的輸出相疊加，作為DMSO溶液流量閥的控制信號(hào)；溫度回路的 PID控制器輸入為溫度回路的控制誤差，其輸出與
（s)和
（s)的輸出相疊加，作為 高溫水流量閥的控制信號(hào)；濃度回路的PID控制器輸入為濃度回路的控制誤差，其輸出與
:s)芣
（s)的輸出相疊加，作為低溫水流量閥的控制信號(hào)； 所述記憶抗體庫(kù)的存儲(chǔ)模塊，各記憶單元分別存放相應(yīng)流量閥的Nx個(gè)故障特性方程及 其對(duì)應(yīng)的控制策略； 所述控制策略，每個(gè)故障特性方程
對(duì)應(yīng)一個(gè)控制策略
每 1
由兩部分組成，分別為PID控制器參數(shù)集合與解耦補(bǔ)償器集合，其中， PID控制器參數(shù)集合
由控制人員根據(jù)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器故障情況人為整定得到；解耦補(bǔ)償器集合
按照下述方法得到： (1)對(duì)于DMSO溶液流量閥記憶單元中的控制策略
，各解耦補(bǔ)償器為
(2) 對(duì)于高溫水流量閥記憶單元中的控制策略，各解耦補(bǔ)償器為
(3) 對(duì)于低溫水流量閥記憶單元中的控制策略，各解耦補(bǔ)償器為
所述監(jiān)視抗原入侵的故障檢測(cè)模塊在重構(gòu)控制器投運(yùn)后實(shí)時(shí)采集各流量閥的輸出， 即用流量計(jì)檢測(cè)三個(gè)流量閥實(shí)際輸出的流量，并計(jì)算從時(shí)刻k-L+Ι至當(dāng)前時(shí)刻k的所 有連續(xù)時(shí)刻，各流量閥輸出流量的計(jì)算值與實(shí)際值之差er rj(l) = eqj(Vj(l))-Uj(l)， j e {1，2, 3}，其中，1 = k-L+1，k-L+2, K，k，即依次計(jì)算k-L+1到k時(shí)刻；檢測(cè)序列的長(zhǎng)度 L取值范圍一般在（0, 50];當(dāng)從時(shí)刻k-L+Ι至當(dāng)前時(shí)刻k的所有連續(xù)時(shí)刻，任一流量閥輸出 流量的計(jì)算值與實(shí)際值之差均大于閾值S時(shí)，故障檢測(cè)模塊判定該流量閥發(fā)生故障，啟動(dòng) 識(shí)別與清除抗原的決策模塊；這里，閾值S取接近于0的數(shù)，用以衡量計(jì)算值與實(shí)際值的相 近程度，取值范圍一般在（〇,〇.〇〇1]; 所述識(shí)別與清除抗原的決策模塊在檢測(cè)到流量閥故障后，首先從存儲(chǔ)模塊的對(duì)應(yīng)記憶 單元中搜索與實(shí)際故障特性方程親和度最高的故障特性方程，即對(duì)于故障流量閥，求從時(shí) 刻k-L+1至當(dāng)前時(shí)刻k的所有連續(xù)時(shí)刻，該流量閥記憶單元中存儲(chǔ)的所有故障特性方程的 計(jì)算值與故障流量閥輸出流量的實(shí)際值之間的差異度：
找出所有差異度中的最小值，此最小值對(duì)應(yīng)的故障特性方程即為存儲(chǔ)模塊中與實(shí)際故 障特性方程親和度最高的故障特性方程
得到
g，所述識(shí)別與清除抗原的決策模塊選擇該故障特性方程所對(duì)應(yīng)的控 制策略
對(duì)當(dāng)前的多變量控制器進(jìn)行初步重構(gòu)，即用
=PID控制器參數(shù)集合
中的對(duì)應(yīng)參數(shù)，替換當(dāng)前各回路的PID控制器參數(shù)，并用
中解耦補(bǔ)償器集 合
中的對(duì)應(yīng)解耦補(bǔ)償器，替換當(dāng)前各解耦補(bǔ)償器； 初步重構(gòu)完成后，所述識(shí)別與清除抗原的決策模塊分別計(jì)算各回路的絕對(duì)誤差積分指 標(biāo)：
對(duì)三個(gè)回路的絕對(duì)誤差積分指標(biāo)分別進(jìn)行判斷，若均未超過(guò)各自的閾值，則返回監(jiān)視 抗原入侵的故障檢測(cè)模塊繼續(xù)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)；反之，啟動(dòng)進(jìn)化抗體的學(xué)習(xí)模塊；這里，絕對(duì) 誤差積分指標(biāo)的計(jì)算序列長(zhǎng)度S取值范圍一般在（0, 50]，液面高度回路的指標(biāo)閾值J'H的 取值范圍一般在（〇, 1]，溫度回路的指標(biāo)閾值J' τ的取值范圍一般在（〇, 25]，濃度回路的指 標(biāo)閾值J' D的取值范圍一般在（〇, 〇. 65]; 所述進(jìn)化抗體的學(xué)習(xí)模塊，首先以時(shí)刻k-L+Ι至當(dāng)前時(shí)刻k的所有連續(xù)時(shí)刻的故障 流量閥控制信號(hào)和故障流量閥實(shí)際輸出流量信號(hào)為學(xué)習(xí)樣本，在線辨識(shí)實(shí)際故障特性方程
將當(dāng)前 的各解耦補(bǔ)償器調(diào)整為： ⑴故瞳流量閥為DMSO溶液流量_，即f
= 1時(shí) (2)故障流量閥為高溫水流量閥，即f = 2時(shí)

由此得到調(diào)整后的解耦補(bǔ)償器集合
： 對(duì)各解耦補(bǔ)償器的調(diào)整完成后，所述進(jìn)化抗體的學(xué)習(xí)模塊以三個(gè)絕對(duì)誤差積分指標(biāo)為 目標(biāo)函數(shù)，按照多目標(biāo)免疫克隆選擇算法對(duì)故障回路的PID控制器參數(shù)進(jìn)行在線優(yōu)化，得 到優(yōu)化后的PID控制器參數(shù)集名
最后，所述進(jìn)化抗體的學(xué)習(xí)模塊將由
共同組成的
與 對(duì)應(yīng)的
-起加入存儲(chǔ)模塊中的故障流量閥記憶單元中，并返回監(jiān)視抗原入侵 的故障檢測(cè)模塊繼續(xù)運(yùn)行； 其中，本條中涉及的符號(hào)，其含義分別為： H(s)、T(s)和D(s)為碳纖維凝固浴浴槽的三個(gè)輸出即溶液液面高度信號(hào)、溶液濃度 信號(hào)和溶液溫度信號(hào)的頻域表示，'(shVjs)和％(8)為碳纖維凝固浴浴槽的三個(gè)輸入即 DMSO溶液流量信號(hào)、高溫水流量信號(hào)和低溫水流量信號(hào)的頻域表示，
=1，2, 3表示碳纖維凝固浴浴槽的各輸出對(duì)各輸入的頻域傳遞函數(shù);A表示凝固浴浴槽的 底面積，R表示排液口的液阻
bv別表示DMSO溶液、高溫水和低溫水 的溫度，
分別表示DMSO溶液、高溫水和低溫水的濃度，?；表示溫度回 路的控制目標(biāo)，％表示液面高度回路的控制目標(biāo)，D。表示濃度回路的控制目標(biāo)：
表 示溫度回路對(duì)液面高度回路的解耦補(bǔ)償器
表示濃度回路對(duì)液面高度回路的解耦 補(bǔ)償器；G_21 (s)表示液面高度回路對(duì)溫度回路的解耦補(bǔ)償器，
表示濃度回路對(duì)溫 度回路的解耦補(bǔ)償器；G_31 (s)表示液面高度回路對(duì)濃度回路的解耦補(bǔ)償器
羑示 溫度回路對(duì)濃度回路的解耦補(bǔ)償器；X表示存儲(chǔ)模塊的各記憶單元的編號(hào)，X = 1對(duì)應(yīng)DMSO 溶液流量閥記憶單元，X = 2對(duì)應(yīng)高溫水流量閥記憶單元，X = 3對(duì)應(yīng)低溫水流量閥記憶單 元，Nx表示記憶單元X中存儲(chǔ)的故障特性方程的個(gè)數(shù)
I示記憶單元X中的第η 個(gè)故障特性方程：
表示
：寸應(yīng)的控制策略，
t示
〗PID控制 器參數(shù)集合
表示液面高度回路PID控制器的比例系數(shù)，
g示液面高度回路PID控 制器的積分系數(shù)：
表示液面高度回路PID控制器的微分系數(shù)，
~ I示溫度回路PID控 制器的比例系數(shù)，
表示溫度回路PID控制器的積分系數(shù)，
t示溫度回路PID控制器 的微分系數(shù)，
表示濃度回路PID控制器的比例系數(shù)，尤/3表示濃度回路PID控制器的積 分系數(shù)，
表示濃度回路PID控制器的微分系數(shù)；
的解耦補(bǔ)償器集合，
()的頻域表示；Vf (1)表示1時(shí)刻故障流量閥的控制信號(hào)，uf(l)表示1 時(shí)刻故障流量閥輸出的實(shí)際流量，f為故障流量閥對(duì)應(yīng)的編號(hào)，f= 1表示故障流量閥為 DMSO溶液流量閥，f = 2表示故障流量閥為高溫水流量閥，f = 3表示故障流量閥為低溫 水流量閥；eqi〇表示DMS0溶液流量閥正常情況下的輸入輸出特性方程，eq2〇表示高溫水 流量閥正常情況下的輸入輸出特性方程，eq 30表示低溫水流量閥正常情況下的輸入輸出 特性方程，errjl)表示1時(shí)刻DMS0溶液流量閥輸出流量的計(jì)算值與實(shí)際值之差，err 2(l) 為1時(shí)刻高溫水流量閥輸出流量的計(jì)算值與實(shí)際值之差，err3(l)為1時(shí)刻低溫水流量閥輸 出流量的計(jì)算值與實(shí)際值之差，L為檢測(cè)序列的長(zhǎng)度，δ表示判定相近程度的閾值 '
表示k時(shí)刻故障流量閥輸出流量的實(shí)際值與該流量閥記憶單元中存儲(chǔ)的第η個(gè)故障特性 方程的計(jì)算值之間的差異度；
表示故障流量閥記憶單元中存儲(chǔ)的第η個(gè)故障特 性方程，乂表示故障流量閥記憶單元中所存儲(chǔ)的故障特性方程的個(gè)數(shù)
表示存儲(chǔ) 模塊中與實(shí)際故障特性方程親和度最高的故障特性方程，
表3
對(duì)應(yīng)的控制 策略，
的PID控制器參數(shù)集合，
的解耦補(bǔ)償器集合； JH(k)表示k時(shí)刻液面高度回路的絕對(duì)誤差積分指標(biāo)，JT(k)表示k時(shí)刻溫度回路的絕對(duì)誤 差積分指標(biāo)，JD(k)表示k時(shí)刻濃度回路的絕對(duì)誤差積分指標(biāo)，S為絕對(duì)誤差積分指標(biāo)的計(jì) 算序列長(zhǎng)度，ejk)表示k時(shí)刻液面高度回路的控制誤差，e 2(k)表示k時(shí)刻溫度回路的控 制誤差，e3(k)表示k時(shí)刻濃度回路的控制誤差，彡^表示液面高度回路絕對(duì)誤差積分指標(biāo) 的閾值，J' T表示溫度回路絕對(duì)誤差積分指標(biāo)的閾值，J'D表示濃度回路絕對(duì)誤差積分指標(biāo) 的閾值；
表示故障流量閥的實(shí)際故障特性方程，
的頻 域表示，
對(duì)應(yīng)的控制策略，
?的PID控制器 參數(shù)集合，
的解耦補(bǔ)償器集合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器，其特征在 于，所述的在線辨識(shí)實(shí)際故障特性方程，具體方法為： 設(shè)故障流量閥的待辨識(shí)特性方程為uf⑴=dmgf X eqf (vf⑴）+offf，將樣本數(shù) 據(jù)集
作為訓(xùn)練樣本，采用一元線性回歸分析 方法求出dmgf和offf的值，從而可根據(jù)求得的
得到
本條中涉及的符號(hào)，其含義分別為： eqf()表示故障流量閥在正常情況時(shí)的輸入輸出特性方程，dmgf表示故障流量閥的損 傷系數(shù)，〇fff表示故障流量閥的偏置系數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器，其特征在 于，所述的基于多目標(biāo)免疫克隆選擇算法對(duì)各回路的PID控制器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，具體步 驟為： 步驟1 :將抗體用故障回路的PID控制器比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)進(jìn)行編碼，編碼 形式為0^，1^，1((1];初始化抗體群413，規(guī)模為1;選擇目標(biāo)函數(shù)〇1^ 1()、〇1^2()、〇1^3()分別 為三個(gè)回路的絕對(duì)誤差積分指標(biāo)的倒數(shù)，并初始化最大進(jìn)化代數(shù)G ; 步驟2 :根據(jù)目標(biāo)函數(shù)計(jì)算Ab中所有抗體對(duì)每個(gè)目標(biāo)的親和度，并按照Pareto最優(yōu)解 的非劣性概念，刪去所有非支配抗體，得到非劣解抗體群Ab_，規(guī)模為N_ ; 步驟3 :對(duì)
P的每個(gè)抗體進(jìn)行自適應(yīng)克隆，得到克隆擴(kuò)增后的新種群Ab。，規(guī)模為
其中，抗體的自適應(yīng)克隆倍數(shù)K (Ana)通過(guò)抗體-抗原親和度D (Ana) 與抗體-抗體親和度Davf!(Ana)計(jì)算得到：

這里，I卜I I代表歐氏距離，a e {1，2, K，NJ ; 步驟4 :對(duì)Ab。中的每個(gè)抗體，隨機(jī)選擇一個(gè)變異參數(shù)Kid，對(duì)該參數(shù)按照非均勻變異方 法進(jìn)行變尺度的鄰域內(nèi)變異，變異后的值為：
其中，Δ (g, η)為一個(gè)與當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)相關(guān)的函數(shù)：
該函數(shù)使得多目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程在進(jìn)化初期變異尺度較大，能保持種群的多樣性，而在進(jìn) 化后期變異尺度逐漸縮小，提高局部微調(diào)能力； 步驟5 :從Ab。中重新選擇所有非劣解抗體構(gòu)成非劣解抗體群，當(dāng)該非劣解抗體群的規(guī) 模大于N_時(shí)，根據(jù)抗體-抗原親和度算子對(duì)非劣解抗體群中的所有非劣解抗體進(jìn)行排序， 選擇其中的前N_個(gè)抗體構(gòu)成新的Ab_ ;否則，直接將該非劣解抗體群作為新的Ab_ ; 步驟6 :判斷當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)是否大于G，若大于則停止優(yōu)化，A
中隨機(jī)選擇一個(gè)抗 體作為優(yōu)化結(jié)果，代替
P對(duì)應(yīng)的三個(gè)參數(shù)，得到
.，反之則轉(zhuǎn)步驟3 ; 本條中涉及的符號(hào)，其含義分別為： [Kp，I，Kd]表示多目標(biāo)優(yōu)化算法的抗體編碼，其中Kp對(duì)應(yīng)故障回路PID控制器的比例 系數(shù)，I對(duì)應(yīng)故障回路PID控制器的積分系數(shù)，Kd對(duì)應(yīng)故障回路PID控制器的微分系數(shù);Ab 表示多目標(biāo)優(yōu)化算法的抗體群，NAb表示Ab中包含的抗體個(gè)數(shù)，Ob()、Ob j2 ()、Ob j3 ()分別 表示多目標(biāo)優(yōu)化算法的三個(gè)目標(biāo)函數(shù)，G表示多目標(biāo)優(yōu)化算法的最大進(jìn)化代數(shù)，Ab_表示多 目標(biāo)優(yōu)化算法的非劣解抗體群
表示
#包含的抗體個(gè)數(shù)，Ab。表示多目標(biāo)優(yōu)化算法 克隆擴(kuò)增后的新抗體群，K()表示多目標(biāo)優(yōu)化算法的自適應(yīng)克隆算子，Ana表示抗體群
中的第a個(gè)抗體，D()表示抗體-抗原親和度算子，
I表示抗體-抗體親和度算子，Kid
表示隨機(jī)選中的變異參數(shù)， 復(fù)示該參數(shù)變異后的值，g表示當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)，
表示選 中的變異參數(shù)的最大可能取值，^和！·均表示[0, 1]之間的均勻隨機(jī)數(shù)，Pm表示給定的變 異概率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器，其特征在 于，對(duì)抗體種群Ab的初始化以故障回路當(dāng)前的三個(gè)PID控制器參數(shù)，即中對(duì)應(yīng)的三 個(gè)參數(shù)為中心點(diǎn)，在其周圍隨機(jī)生成其他初始抗體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器，其特征在 于，所述由控制人員根據(jù)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器故障情況人為整定是指運(yùn)用臨界比例法、反應(yīng)曲線 法或衰減法進(jìn)行PID控制器參數(shù)整定。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器，其特征在 于，檢測(cè)序列的長(zhǎng)度L由控制人員自行設(shè)定，L取值越大，檢測(cè)越準(zhǔn)確，但耗時(shí)也越長(zhǎng)；絕對(duì) 誤差積分指標(biāo)的計(jì)算序列長(zhǎng)度S由控制人員自行設(shè)定，取值越大計(jì)算越精確，但對(duì)處理器 的存儲(chǔ)空間占用越大，且計(jì)算的耗時(shí)越長(zhǎng)；三個(gè)指標(biāo)閾值的取值隨S的增大相應(yīng)增大，J' H 的取值、J'τ的取值和J'D的取值，各指標(biāo)閾值的取值越大，系統(tǒng)的控制精度越低，取值越小 則控制器的切換越頻繁。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于免疫機(jī)制的碳纖維凝固浴重構(gòu)控制器，其特征在 于，給定的變異概率Pm由控制人員根據(jù)需要取值，變異概率值越大，抗體種群越多樣化，陷 入局部最優(yōu)的概率就越小，但收斂的速度也越慢；一般情況下，取變異概率P m = 〇. 5。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK104062903SQ201410265188
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月16日
【發(fā)明者】丁永生, 戴盛芳, 任立紅, 郝礦榮 申請(qǐng)人:東華大學(xué)