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中文摘要 分布式印染机温度自适应控制系统的研究 研究生姓名：陈剑桥导师姓名：毛玉良 东南大学机械工程系2 0 0 6 8 本文在分析了印染机的结构特点、工作机理以及印染过程的工艺要求后，并结合前期 的印染机单机控制技术数据，认为印染机是一个具有耦合的、参数慢时变的纯滞后系统， 且主辅通道的延时时间不等。针对这一特点，采用广义最小方差控制，应用递推最b - - 乘 算法进行参数辨识。实现了通道解耦和自校正控制；同时为进一步提高系统的性能，减小 参数辨识误差对系统性能的影响，引入内模控制，将解耦后的等效模型视为一个纯滞后系 统与内部模型进行比较根据模型误差进行控制作用的调节，增强了系统的鲁棒性。 在实际应用中，根据生产企业对印染控制的要求，采用分布控制技术，上位机采用通 用计算机( p c ) ，下位机采用a v r 单片机，通讯总线为r s 4 8 5 ，其中利用上位机速度快、 内存大、编程方便的特点，上位机中实现人机交互界面和参数辨识算法。下位机完成控制 算法，发送采样数据并接受上位机的参数辨识结果，实现分布式白适应控制。 【关键词】自适应控制内模控制分布式系统递推最小二乘算法 i l l 英文摘要 r e s e a r c ho nd y i n gm a c h i n et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t e d a d a p t i v ec o n t r o ls y s t e m b yc h e nj i a n q i a ns u p e r v i s e db yp r o f e s s o rm a oy u l i e n g d e p a r t m e n to f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a u 9 2 0 0 6 a f l e rd e a l i n gw i t i lt h ec o n t m e t u r ec h a r a c t e r i s t i co fd y i n gm a c h i n e , t h ef l o ws t a t u so f w o r k i n ga n dt h ep a r a m e t e r ss e ti np r o d u c t i v ep r o g r e s s , a l s os u p p o r t e db yt h ed a t au n d e rm c u c o n t r o l ，am o d e lw i t ht w oc h a n n e ic o u p l e 。t i m ed e l a ye n dp a r a m e t e r sv a r y i n ga r ed i s c u s s e di n t h i sp a p e r b ym e a n so fs e l f - t u n i n gc o t l t r o lb a s e do l lp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o na n di n n e rm o d e i c o n t r o l ，t h es y s t e mc h a n n e l sd e c o u p l ea n da d a p t i v ec o n t r o la t ed e v e l o p e d m e e nw h i l e t h e s y s t e mp e r f o r m a n c ei si m p r o v e de v e ni f t h e r ee x i s t sa l le g r o ro f p a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o n i na p p l i c a t i o n , ad i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mw h i c hc o m m u n i c a t e sb yr s 4 8 5i si n t r o d u c , o d i tc o n s i s t so f p c 嬲m a s t e ra n da v rm c ua ss l a v e b e c a u s eo f h i g hs p e e d l a r g e 洲e n de a s y t op r o g r a m ，p ca c t sai m p o r t a n tr o l eo np a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h me n dt h ei n t e r f a c e b e t w e e nc , o n s t n l c ：t o r sa n dc o n t r o l l e r w h i l et h ea d a p t i v ec o n h o la l g o r i t h mi sp e r f o r m e di na v r m c u ，a l s os e n d i n g s a m p l ed a t ar e c e i v i n gp a r a m e t e r sa n do t h e rc o n t r o lt a s k s i k e y w o r t h la d a p t i v ec o n t r o l ，i m c ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m , r l s i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：篮鱼l 篮导师签名： 日期： ) o 叫。一 z - 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 我国是一个纺织服装大国，纺织服装行业是我国的传统优势产业，随着新技术新工艺 的的发展，采用信息技术改造传统产业，提高产品的竞争力已是大势所趋。印染是纺织服 装行业的重要环节之一，目前，计算机及网络技术、控制理论已广泛应用于印染行业。使 印染产品的质量大幅提高，降低生产成本，减少环境污染，同时减轻了现场操作人员的工 作量，提高企业的管理水平，增强了企业的市场竞争能力。随着信息技术的发展，印染行 业正朝着信息化智能化方向推进近年来，我国在印染行业已取得很大的进步，采用了可 编程控制器、变频调速技术、计算机控制技术等新技术，生产的自动化水平有了显著的提 高，但是与先进国家相比，我国印染自动化水平还有不少差距，主要表现在生产过程控制 的智能化水平和企业生产管理的信息化水平上。 本文将在东南大学机械系和苏州吴江国营新民印染厂联合研制的分布式电脑染色机，由戴 敏、江枫等所做工作的基础上4 “2 j , 研制个印染机分布式自适_ 应i 屠度控制系统，使印染机的 温度克服实际系统的参数变化，对外界变化不敏感，提高系统的鲁棒性。使印染机工作在最佳 的工艺条件下，企业的经济效益得到提高，为今后进一步提高整个企业的生产和管理的信息化 现代化水平打下基础。 1 2 国内外研究状况 由于印染本身的工艺比较复杂，要求织物在染液中恒速恒张力运动，染液染缸的温度 保持恒定，因此国内外生产的印染机很多都采用计算机控制方法。同时，对于生产现场的 多台印染机，网络技术为实现整个企业生产的自动化提供了有力支持。印染机在生产过程 中，不断在线检测工艺参数。一方面将各类工艺参数通过网络发送给远程过程管理计算机， 另一方面在现场实现参数的显示，并根据工艺参数调整印染机。使其工作在最佳状态。例 如，江苏赛格j m h l 2 8 系列变频常温常压卷染机，卷布辊采用交流变频驱动，张力调节采用 在线方式，实现卷染过程恒速恒张力传动。整机采用p l c 可编程序控制器，设有温度调节， 自动加料、料液循环装置等，保证了染槽内染液温度均匀一致，克服织物在染色过程中的 色差。意大利美赛拉高温高压卷染机，性能更加优越，可实现印染生产过程全部自动化。 对于一个企业而言，将多台印染设备组成一个计算机集散控制系统可以进一步提高生产效 率。实现生产和管理的优化，一些较小型的计算机集散控制系统，可以采用r s 4 8 5 总线， 实现现场控制计算机和远程监控管理计算机的通讯，而一些中大型的计算机集散控制系统， 采用现场总线技术，如c a n 、p r o f i b u s 、l o n w o r k s 等来组网，这样，系统的可靠性和抗干 扰性进一步增强，通讯性能更加优良。国外印染机械厂家有德国m o n f o r t s 、t h e n 、t h i e s 、 - l e n z e l 公司、意大利s p e r o t t or i m a r 、a r i o r i 、m a t 公司、瑞士b e n n i n g e r 、b u s e r 公司 等等知名厂商大都开发了类似的产品，我国一些印染机械厂家、院校和科研院所也推出了 不少适合中国市场的产品，在第八届中国国际纺织机械展览会中，无锡宏源集团h y 6 1 8 型 高温高压卷染机采用先进的p l c 和数据通讯技术，实现生产过程计算机全面控制及染色管 理，有独特的恒张力控制系统，代表了印染机械发展的水平 东南大学硕士学位论文 1 3 课题的研究意义 在印染过程中，温度对织物的染色效果有着重要的影响，需要严格按照工艺要求进行， 而在实际生产的过程中，采用蒸汽加热的染缸染液，温度本身具有滞后特性，且经常受到 诸如蒸汽温度压力变化，织物材料重量变化、现场生产环境改变的影响，若不加以控制。 将会影响产品的染色质量，用人工控制不仅增加劳动强度，产品质量仍然得不到保证，因 此，比较常用的方法是采用p i d 控制器，根据温度测量值来确定蒸汽阀的开关，但是由于 印染过程的大滞后、时变、干扰和不确定因素，传统的p i d 控制很难取得预期的效果，现 代计算机技术和网络技术的发展，各种新的控制理论和方法的出现，为解决大滞后时变对 象的控制提供了许多有效方法 早在1 9 5 7 年，针对时滞对象，s m i t h 提出了著名的预估补偿控制，在系统参数确定的 情况下取得很好的效果；7 0 年代后，计算机技术的发展，推动了自适应控制进一步的研究。 通过在线辨识系统参数，可以抵消系统的漂移、环境干扰等对系统的影响，并获得了许多 成功的应用，自适应控制( 自校正) 的应用有一个基本条件即：计算机参数辨识的速度要远 快于对象参数变化的速度，对于参数变化较快对象控制效果不好；预测控制在7 0 年代中期 出现，通过建立预测模型，如参数模型( 差分方程、微分方程等) 或非参数模型( 脉冲响 应、阶跃响应等) ，实现对未来有限时段的预测，采用滚动优化和反馈校正，达到事实上的 优化控制；8 0 年代，提出内模控制方法，采用内部模型和反馈校正的思想，设计方便，鲁 棒性强，具有良好的稳态性能和跟踪性能，但对大范围参数变化的系统控制性能不好；自 1 9 7 4 年模糊控制首先应用于锅炉蒸汽机以来，被公认为处理不确定系统的简单有效的方法 之一，其关键在于控制规则的建立，通常基于经验和实验数据分析得到，如果规则不完善 或对象的特性变化太大。控制效果不佳；其他控制策略如神经网络控制，专家控制以及各 种控制方法之间的融合而产生的新的控制方案，如模糊p i d 控制、专家p i d 控制、神经网 络p i d 控制、s m i t h 模糊控制、白适应模糊控制、模糊预测控制、自适应神经网络控制等， 都在不罚程度上提高控制性能，为生产应用开辟了新的路径 各种现代控制策略离不开计算机，工业控制用计算机发展从8 位、1 6 位到3 2 位，以 及各种专用处理器，使控制算法的实现变得可行，网络技术、嵌入式技术更进一步推动了 计算机控制系统的发展，以p r o f i b u s 、c a n 等为代表的工业现场总线技术，具有开放性， 可互操作性，可靠性的优点。良好的抗扰和快速通讯能力，已广泛应用于冶金，电力，交 通、化工、纺织等各行业，为解决“自动化孤岛”问题，提高企业的生产自动化水平起了 巨大的作用。一个比较典型的方案是。一个企业的计算机网络分成三级：工厂管理级、部 门监控级和现场控制级，其中工厂管理级和部门监控级对实时性要求不高，可以采用采用 以太网技术，而部门监控级和现场控制级对实时性有一定的要求，加之生产现场一般环境 恶劣，应首选现场总线技术进行组网。 在印染行业，实现计算机技术、网络技术和自动化技术的结合，可以大大提高生产的 自动化水平，许多过去无法实现的新型控制方法，生产过程的优化管理。都可以得到实施， 这些必将促进企业的进步，生产力水平的提高。 1 4课题的主要任务、内容和目标 在前期的工作中。戴敏完成了现场控制级的印染机温度检测、p i d 算法，印染机电气 控制、工艺编辑修改等工作限- “；在分布控制系统的研究上，江枫提出了采用c a n 总线的 分布式系统的实现方案。并分析了几种控制算法憧”；本课题将在前期的基础上进行，首 先通过分析染缸的系统模型，应用现代控制策略，结合自适应控制，内模控制方法，克服 2 第一章绪论 染缸实际工作过程中参数漂移现象和干扰问题，增强系统的鲁棒性，提高系统的控制性能 为此，将从以下几个方面进行： ( 1 ) 分析印染机生产过程中主要特点、工艺要求，扰动的主要来源。认为引起印染机温 度变化的主要原因是蒸汽的温度压力、布匹的性质与状态，工艺环境等，但是这些 因素导致系统参数变化比较缓慢的，即温度系统是一个耦合的、参数慢时变的大滞 后系统，可以通过在线辨识方法，提高系统的控制性能。 ( 2 ) 根据染缸的特性，根据已有的实验数据，建立染缸的数学模型，并采用适当的参数 辨识方法，在p c 中进行参数辨识，由于温度系统工作在闭环控制中，所以必须考虑 闭环系统的可辨识性，同时在现场分布式环境中。存在多个节点，即可能有多个模 型需要在线辨识，因此，计算时间和软件结构方式也须适当考虑 ( 3 ) 控制方案的选择，将结合白校正控制和内模控制的特点，设计一个自校正内模控制 器，达到降低系统对参数变化的敏感性目的。同时降低对模型辨识的精度要求，并 且实现不等延时耦合系统的解耦目的，控制系统结构见图，通过在1 4 a t l a b s i m u l i n k 中进行仿真验证算法的有效性，见图卜1 ( 4 ) 实现方案( 见图i - 2 ) 分析现场总线技术应用特点，根据实际需要，综合考虑性价比、靠性等因素。 选择r s 4 8 5 作为通讯总线，编写上位机( 主机) 和下位机( 单片机) 通讯接口软件， 由于辨识参数对于控制系统的重要性，需要采用编码校验方法； 上位机采用m a t l a b 平台，完成系统参数辨识，编写一个人机交互界面，完成系 统参数设置，采样数据的显示和其他信息的显示等任务t 下位机采用单片机系统，完成数据采样( a d 变换) ，控制量的计算和输出p 删 蒸汽阀的控制信号，以及完成其他一些控制任务。 圈1 - - ；t 系统控制结构图 东南大学硕士学位论文 图1 - 2 系统分布结构圈 4 第二章印染机温度系统模型及辨识 第二章印染机温度系统模型及辨识 模型辨识在自适应控制中起着重要的作用，一般在应用类型上有离线和在线方法，辨 识任务上分结构辨识和参数辨识，按算法不同分为最小二乘类辨识算法、随机梯度参数估 计方法以及其他一些推广方法 2 1 系统模型与辨识 系统辨识是指通过系统的输入输出实验数据来确定系统的动态行为，一般是以数学方 程的形式反映，与实际系统的物理结构无关。称为系统模型系统模型按照线性与非线性 特征分为：线性模型和非线性模型；按照模型参数分为参数模型和非参数模型。在控制领 域，一个典型的a i g a 系统可以下图2 - 1 表示，其中 图2 1a r m a 模型 a y = b u + 口，口为系统噪声，4 e c 为适 当阶次的多项式。a = a ( q 一1 ) ；口= b ( q 一1 ) ，鼋- 1 为 移位算子。系统辨识的任务是确定系统的阶次和参 数，即获取彳，丑多项式。 系统的输入输出数据是通过实验获得的。因此对系统的激励信号有一定的要求，满足 持续激励的条件，使系统的动态特性受到充分激发。离线辨识可采用如阶跃信号和脉冲信 号，得到系统的阶跃响应模型和脉冲响应模型通，在线辨识常采用高斯白噪声信号作为激 励信号，具有如下几个特征：平稳性、独立性、遍历性对于时变系统的参数辨识。要求 参数变化是非随机性的，否则将无法进行辨识，对于在实际中的应用来说，还有一个限制 条件，即算法辨识的速度要快于参数变化的速度，因此考虑到系统参数的时变特征以及输 入输出的数据量的因素，一般采用递推算法，如递推最小二乘类方法( r l s ) 和最小均方算 法( l l i s ) ，下面分别介绍几种在实际中常用的在线参数辨识方法 2 2常用的参数辨识算法 设系统以a r 姒模型表示为 j ，( ) = a ，y ( k - i ) + b , u ( k - i ) + s ( k ) ，占( i ) 为测量噪声，将被估计参数和k t = l l i o 时刻之前的输入输出数据以向量形式写成： 口= 【a l a n ，6 0 6 。】1 x 7 ( i ) = 【y ( k 1 ) y ( k 一盯) ，”( 七) u ( k 一肌) 】 则y ( 七) = 工7 ( 七) 口+ 占( | | ) 。 一查壅查竺堡主兰垡堡苎 参数辨识就是指根据测量数据x ，j ，来解算出系数口 对于上述方程，显然只依靠一组数据是无法求解系统的参数，故需要疗, 4 - m + l 组 以上的数据，刀，研为系统维数，即 = 酬知= 酗 以= 酬- 一y 秽( k + 以：卜f _ i p l ： li ： b 7 ( 后+ ) j 【 进一步以矩阵表示成： y n = x n 8 + 8 m 一) ，( 七一，哆 “( 七) y ( k 一拧) 一y ( k 一刀+ 1 )u ( k + 1 ) u ( k 一疗+ 1 ) ； i ； 一y ( k 一月+ ) u ( k + r ) u ( k 一一+ ) 定义最小二乘性能指标 ，= i 1 占：知= 三( y 一z 。口) 7 ( y 一x u o ) 喏= 0 可糯 0 2 q ；爿n y i x ；y ，当x ；x n 满秩。 为满足在线辨识和实时控制的需要，应采用一种称为带遗忘因子的递推最小二乘算法 r f f l s ，将以前所有数据都乘以加权因子= 五2 。其中o 2 1 ，即 = l 。煞。， ，孙l 。， o s + l = ( x 。t + l x + 1 ) 一1x ：+ 1 “= 吼+ 钆，代入后应用矩阵求逆定理可得 钆= “+ l y ( k + n + 1 ) - x 7 ( k + n + 1 ) 0 s 】 t2 鬲击端 易2 古【日一万p u + x 石( k l + 茸n 十“+ l 十) x j r ，( k h + 疗n + + 1 ) + p u l j 昂，瓦称为参数估计方差和修正系数。在实际应用中。可取晶= o ；只：1 0 i 为充 6 第二章印染机温度系统模型及辨识 分大的对角阵此外，最小二乘算法还包括增广最小二乘算法和广义最小二乘算法等 2 2 2 随机梯度算法 设系统模型为：y ( 七) = x 1 ( 七) 口+ s ( 七) 定义准则函数：，= 妻眇( 七) _ x r ( 七) 参( 七) 】2 = m i n ，其中否( 七) 为p 的估计， 假设参数迭代为；舀( t ) = 谷( 七一1 ) + ，( 七) 并代入准则函数后求偏导： ；芝：【y ( 七) 一工r ( 七) 舌( 七一1 ) - - x t ( 七) ，( ) 】x r ( 七) x ( 七) ：o 当x r ( 七) x ( | j ) 。时，= y ( k ) j - i x 万 ( 函k ) 耳百( 厂k 一- d ，所以得递推关系： k ( k ) = 否( 七一1 ) + y c k ) - x ；7 刁( k 西) _ o c k - 1 ) x ( | ) 。，( 七) = 膏7 ( 七) x ( 七) 在实际应用中，当选择r ( 七) = l + ，( 后) x ( 后) 得到投影算法； 当选择，( 七) = ，( 七一1 ) + ，( k ) x c k ) 。，( o ) = 1 得到随机梯度算法； 当选择，( 七) = l x r ( k 1 ) + ，7 ( 七) x ( 后) ，r ( o ) f f i l o d e g a - d 在辨识方法上，主要有直接辨识和间接辨识，直接辨识指采用实际系统的输入输出 ( 七) ，y ( k ) 进行辨识而间接辨识则先辨识整个闭环系统，然后在控制器参数已知的条件 下求出系统的参数，显然计算量大，精度低于直接辨识。无论采用哪种辨识方法，都需要 系统受到充分的激励，因此在实际应用时，一般均采用白噪声序列作为激励信号 2 5印染机的生产过程与数学模型 印染机的生产过程大致可分为两个阶段：首先打开开关阀1 使热蒸汽对染缸内的染液 加热，将温度从室温加热至8 0 c 左右，然后关闭染缸的缸盖，打开开关阀2 。使热蒸汽对 染缸内的染液和缸体同时加热，当温度升至1 0 0 c 时开始生产过程，并控制温度在工艺允 许的范围内波动分析印染机的生产过程我们不难发现其所具有的如下几个特点： 图2 3 染缸结构示意图 ( 1 ) 从打开开关阀到温度的升高，具有一 定的时间延迟； ( 2 ) 染液和染缸的温度之间存在相互耦合 的影响： ( 3 ) 温度的升高受到蒸汽的温度和压力， 布匹的重量和材料以及环境温度的影响； ( 4 ) 在关闭染缸的缸盖前后，系统的结构参 数有很大的不同； 以如下的微分方程来描述关闭染缸的缸 盖后温度变化： 口( f ) = a ( t ) 口p ) + b ( t f ) q ( f ) 其中p ( t ) q ( ，) 分别为印染机温度与环境温度的差，蒸汽提供的热量。是与环 境温度、蒸汽温度压力有关的变量，a ( f ) ，丑( t ) ，f 为可变的参数和延时时间，它 8 第二章印染机温度系统模型及辨识 们都是与生产状态有关的变量，并且口( r ) = 【b ( ，) ，岛( ，) 】7 一c ，= 2 ：是：暑 ，曰o ，= 。b 易n 。( u t - ，t ：，；曰b ：, 2 ：( o t - 一t ，, 。2 ) ， ， q ( ，) = b ( f ) 9 2 0 ) f ，显然建立准确的微分方程是十分困难的。 n 抽， 田2 - 染缸攫塾圈 对于关闭染缸的缸盖前的温度变 化可按上述方法处理建立微分方程， 此时q 2 ( f ) = 0 在实际的生产中， 将染缸模型做近似处理，以时变系统 来表示，考虑到系统的扰动，以传递 函数表示的模型图见图2 4 在计算机控制系统中，模型是离 散的，因此需要将连续模型离散化。 对于温度系统，采样周期一般为1 0 2 0 秒，采用零阶采样保持器z 0 t t 。针 对印染机温度系统，可以用受控白回 归积分滑动平均( c o n t r o l l e da u t o - r e g r e s s i v ei n t e r g r a t e dg o v i n ga v e r a g e ， c a r i m a ) 描述： a o ) ( g 一1 ) j ，i ( 七) = b 1 ( g 。) “i ( k - l - d , 1 ) + b 1 2 ( g 一1 ) “2 ( k - l - d , 2 ) + 磊( 后) 彳2 ( g 。1 ) 儿( 七) = b 2 1 ( g 一1 ) q ( 七一1 一d 2 1 ) + 曰2 2 ( g 1 ) “2 ( k - l - d 2 2 ) + 磊( 七) 月 a v ) ( q 。) = l + q 。；( 一) = l + 口：2 卜q ； 扣l，- i 曰“( g 1 ) = 6 5 ”+ 球”q 。；b 0 2 ) ( g 。1 ) = 6 5 ”+ 群”q 。； t - i 1 - 1 口2 。( g q ) = b o 2 ”+ 6 f 2 q 。；b ( 2 2 ) ( 9 4 ) = 6 5 ”+ 群”q 。； ，- lj - i a = l q “其中d l l d 1 2 d 2 l ，d 笠，磊，磊分别为系统的纯滞后和系统的随机白噪声，进 一步写成增量模型为： 彳1 ( g _ 1 ) 6 此( 后) = 曰1 1 ( g 一) a u l ( k - 1 - d , 1 ) + 口1 2 ( g 一) a u 2 ( 后一l 一面2 ) + 卣( j | ) 2 ( g - 1 ) a ) ，2 ( 七) = 曰2 1 ( 叮川) 砘( 七一l 一畋i ) + 曰恐( g 一) a u 2 ( k - l - d 2 2 ) + 乞( j i ) 采用增量模型的好处有二。首先避免系统非零初始值对辨识的影响，其次可得到增量 控制作用，在实施控制时避免出现过大的控制作用。 9 东南大学硕士学位论文 2 6分布环境下印染机温度模型的在线辨识 实际的印染机温度控制系统可看作两输入两输出的系统，可以采用带遗忘因子的递推 最小二乘算法进行辨识，由于是在分布环境下，可以利用主机的高速计算能力完成辨识算 法，然后将辨识结果通过通讯总线发送给现场的控制器。 在线参数辨识采用遗忘因子的最小二乘算法，可以得到较快的参数辨识速度，考虑到印 染机温度系统的特征，首先根据物理规律和实验数据确定模型为一阶加纯滞后系统。即 n = l ：m ：0 纯滞后的辨识采用参数估计法进行直接辨识，所以阶- 2 ，n b = l + d 一。通常d 。是可 以事先估计出 1 0 第三章印染机温度自适应控制方案的研究 第三章印染机温度自适应控制方案的研究 实际系统的模型一般都是在时变的，因此要求控制器能够根据实际系统的变化来改变 控制作用，这种控制称为自适应控制。随着计算机技术的发展，自适应控制在航空航天、 冶金化工等许多行业获得广泛的应用自适应控制大致可分为两大类：自校正控制和模型 参考自适应控制，主要思想是，自校正控制通过在线辨识系统参数从而改变控制器的控 制作用，获得预期的控制性能。具体实现方式有最小方差白校正控制和极点配置自校正控 制等；模型参考自适应控制是在控制系统中设置一个期望模型，通过比较实际模型与期望 模型之差改变控制器的参数，从而实现自适应。主要实现方式有基于李雅普诺夫稳定性原 理的模型参考自适应控制和基于波波夫超稳定性理论的模型参考自适应控制。 印染机温度系统具有慢时变、时滞和耦合的特性，本章首先假设系统的参数已知且不 变，即定常系统，应用最小方差控制的思想设计一个解耦器，其次，针对系统的慢时变， 采用在线辨识算法。得到一个自校正控制律。并结合内模控制，使系统获得一个较好的性 能 3 1 印染机温度系统的解耦 印染机系统模型用受控自回归积分滑动平均( c o n t r o l l e da u t o - r e g r e s s i v e i n t e r g r a t e dm o v i n ga v e r a g e 。c a r i m a ) 描述： a 1 ( g 一) y l ( 七) = b o ”( g 一1 ) 材1 ( | 一1 一d j l ) + 曰1 2 ( 留一1 ) “2 ( 七一l d 1 2 ) + 缶( i ) a 2 ( g 一) j ，2 ( j ) = b ( 2n ) ( g 一1 ) ( 七一l 一如t ) + 曰2 2 ( g 。1 ) 甜2 ( _ j 一1 一乞) + 乞( 七) ) = l + q 。；( 一) = l + 口f 2 q 。9 扣l1 1 m村 b m 国。) = 6 5 “+ 6 ”g 。；b 0 2 ) ( g 1 ) = 6 5 1 2 + 6 f 1 2 q 。； lj - i 口2 1 ( g 1 ) = 6 5 2 1 + 6 f 2 1 g “；占”( g 。) = 6 5 麓+ 群趋q 。； 1 ，- l = l - q - 1 其中d n , d 1 2 ，如l ，如，磊，蟊分别为系统的纯滞后和系统的随机白噪声， 进一步写成增量模型为： 彳( g 。) 凸沙、( 七) = b ( 1 0 ( g 1 ) a u l ( 七一1 一d 1 1 ) + b 1 2 ( g 一1 ) 甜2 ( k - i 一面2 ) + 轰( | i ) 彳2 ( g 一1 ) 4 y 2 ( 七) = 口2 1 ( g 一。) ( 七一l 一如1 ) + 口2 2 ( g 一1 ) “2 ( k - s - d 2 2 ) + 岛( 七) 令 东南大学硕士学位论文 彳。( 矿1 ) = 彳( ( g 一) 口( 口( 窖一) = 荟( “( g - 1 ) ， f ，_ ，1 - 2 则预测模型可写成为； 二i 1 ( g 一1 ) ) ，l ( 七+ 吐1 ) = 豆1 1 幻一) a u i ( 七一1 ) + 否( 1 2 ( g ) a u 2 ( 七一1 一面2 + 吐1 ) + 磊( 七十吐1 ) j 2 ( g 一) y 2 ( 七+ d 2 2 ) = 吾2 1 ( g 一1 ) 确( 七一1 一d 2 l + d 2 2 ) + 否( 2 2 ( g 。1 ) 2 ( 七一1 ) + 磊( 七+ 如) 假设主通道的时延小于辅通道的试验，即矾i 1 2 时凰满秩从而矩阵非奇异，显然当选择 1 6 第三章印染机温度自适应控制方案的研究 e ( z ) 为某一稳态增益为i 的滤波器均可满足闭环可辨识的要求对通道2 结论是相同的。 3 4 印染机温度控制系统的性能 由于实际系统的准确模型不易获得，系统的建模误差是始终存在的，在采用系统辨识 方法后也是如此，同时，由于执行部件为开关阀，控制量的输出限制在一定的范围之内， 同样会对系统的控制造成一定的影响。因此讨论系统的控制性能是必须的 3 4 1模型误差对系统性能的影响 以通道y 1 为例，设实际系统( 含解耦器) 输出为： y l ( 2 ) = g 州l ( z ) v l ( z ) + g p n ( z ) v 2 ( z ) = g _ l ( z ) v l ( z ) + g i l ( ：) h ( z ) + g 1 2 ( z ) v 2 ( 2 ) v i ( z ) = g l ( z ) ( 蜀( z ) 一m ( = ) + g m l ( z ) v l ( z ) 所以： y 出，= 篙揣笋+ 占筹翥器a g i z v 2 c 力 a y i ( = ) = j ，。i ( ：) 一y l ( z ) = g 。l ( = ) e ( z ) r l ( z ) 一y l ( z ) = j 等j ；：； ：! i ：；轰寺a g l l c = ，e c ：，r - c z ，一j j j ；：；i ：! ：；主寺a g l 2 c z ，v z c z ， 这里g ( = ) = z 呐，为期望模型，a g i l ( z ) ，a g l 2 0 ) 分别为主通道和耦合通道的模型误差， ) ( z ) 为通道1 的期望输出显然当系统稳定且，1 0 ) 的稳态增益为1 时实际系统输出 与理想值的误差a y m ( z ) = 0 ，说明系统具有良好的稳态性能，对于通道2 也可得到相同的 结论。 3 4 2开关阀对控制性能的影响 在印染机温度控制系统中，通过开关阀控制蒸汽来进行加热，实际的开关阀具有死区、 j r s a m p l c i n _ t l m e二刁 0 u l a x 图3 - - 4 开关阀作用时间 饱和等非线性。忽略这些非线性后，可将开关 阀视作一个增益为k 的p 删放大器。将输入控 制信号转换成脉宽信号来实现驱动控制但是 必须注意开关阀的特征：开关阀有一个最小开 关时问7 蚴。对于小于最小开关时间的输 出，可以累加到下次输出，通过计算得到的时 问t t 。满足： i f ( 乙忡。7 k 一) 删( 乃m2 乙岫) ； e l s e ( 霉。= 互。) ； 7 二m 为采样周期， 1 7 东南大学硕士学位论文 显然，在应用过程中，为减少开关阀的开关次数，可根据上一开关状态，确定本次的 开关顺序，即先开后关还是先关后开。这样开关动作次数将至少减少一半 图3 5 开关阀控制 3 4 3传输、计算延时对系统性能的影响 在分布式系统中，上位机和下位机通过总线进行通讯，数据的传输受总线的通讯速率 影响，存在一个延时时间；同时数据的分析计算也需要一定的时间；但是对系统影响较大 的是由于存在多个下位机的数据需要处理，在实际应用中，由于采用的操作系统为 w i n d o w s ，考虑到实现的方便性，采用前后台的软件实现方法，后台软件完成比较费时的工 作。前台软件完成对时间要求较严的工作。温度采样系统的采样周期一般为1 0 - 2 0 秒，在 p i l 4 1 5 m 计算机上完成3 0 0 点的最小二乘算法约0 3 秒，在小型分布式系统中，时间是充 分的，如果考虑到其他任务、下位机的台数以及一些不确定因素，可采用另一种办法，即 辨识算法并不在每次受到采样数据后运行，而是在受到一组数据，即数据帧后运行，这样 做的条件是系统参数是缓变的，辨识过程快于参数变化的过程，从而使白适应性能得到保 证。 3 5系统的断开现象及对策 在系统首次运行时，由于参数是未知的，因此需要首先启动系统获得系统的输入输出 数据进行参数辨识根据自适应算法，6 5 1 和6 j 2 2 不能为零，否则出现计算溢出，即使写 成 ! !。则系统的控制量为零，出现所谓的“断开”现象，这在控制系统中是不允许的 名+ 6 ： 解决方法一是6 5 1 1 和6 j 2 2 不参加辨识。直接由经验预置一个数，即使与实际参数存在误差， 只要在一个适当的范围内。设实际值6 嚣，标称值6 器。则系统方程可改写为( 通道1 ) ； 第三章印染机温度自适应控制方案的研究 彳。) ( q - i ) y “k + d u ) 2 j i ! 等；兹芦下j 。) ( g 。) y ，- + 生亏i t 戋( 1 1 ) 1 嚣 1 ( 象1 1 ) 巧- - 产1 ( 1 生1 ) 1 【蕃m 6 1 1 血雕一+ 伊2 ( q = 1 ) 血：( 七一4 ：+ 面1 ) 】 由此可知系统方程的系数发生变化。可以通过内模控制器进行调节，保持系统性能。 解决方法二在系统的控制量中叠加一个适当的非零均值的白噪声建模信号，噪声的均 值、方差选择在系统性能指标允许的范围内。这样可避免系统的由于辨识参数不准造成的 断开问题，也满足了参数辨识系统的持续激励的要求 第四章控制系统的算法仿真 第四章控制系统的算法仿真 控制系统的设计是一项十分复杂和烦琐的工作，首先是控制算法的设计。其次是选择 一个合适实现方法，然后是在实际系统中的验证，能否满足预期的要求等，计算机辅助设 计c a d 的出现，极大地提高了控制系统的设计效率，人们通过在计算机中建立一个实际系 统仿真模型，验证各种算法的有效性，将许多在实际中可能出现的问题在系统设计阶段解 决。避免了人力物力的浪费，其关键在于仿真模型与实际系统的误差在允许的范围之内。 控制系统的分析与设计采用m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 软件，具有较强的数值计算和图形输 出能力，并针对各种应用推出相关的工具箱函数如系统辨识工具箱，控制系统工具箱，模 糊控制工具箱等，另外，还提供一套图形化的设计分析工具s i m u l i n k ，使分析和设计工作 更直观方便。从6 0 版以后，对计算机硬件的支持也更加完善，也使g a t l a b 从一个侧重理 论分析和计算的平台转变为计算和应用并重的控制系统分析设计和应用的平台 4 1 印染机温度系统的仿真模型 首先根据印染机的工作特点，针对印染机的温度模型，采用子系统模块s u b s y s t e m ， 在s i m u l i n k 封装一个印染机温度系统的差分方程模型，并根据解耦方程，封装一个印染机 温度系统的解耦模块。将它们串联实现解耦，见系统的控制结构图4 - - 1 。 图4 一l系统的控制结构图 其中设被控对象为： ) ，心) = 羔z i 。u l ( 扩兰z 。咖) y 2 ( 垆羔小扩i 0 o 6 5 z “姒：) 内模控制器为： 肫) 一兰；必) = 兰； 寨禹大学硬学绶豫交 4 2 系统参数的递推最小二乘辨识 蠹子系统熬滁次基垂实验和理谂分耩褥爨，霹褥印染撬透钕残隽一酴麓澎矮瓣辩变参 数燕统，系统的最天纯滞后小于d w 。且满足主通遂的纯滞后小予辅助通道的纯滞后时闯， 即d l ， d md n d m 因此可用参数估计法来直接进行参数和阶的辨识，下面两图4 2 ，4 3 是系统参数的辨识结果，在仿真时假设d w = 2 5 ，总的辨识参数个数为2 5 x 2 + 2 = 5 2 个，从中 可以燃剃出系统酌缝涝嚣为l o ，2 0 ，1 8 、1 4 ，在爽鼯应用串可选择一个合适的袋样频率进 孬离敬亿，获得适中静系统除次。 銎4 - - 2 遴遴l 参数辨谈缍栗鹜4 3 遴遘2 参数辨谈结莱 4 3 印染机温度控制算法仿真 茺验涯接裁冀法懿有效赣。蠡逶应控鞘募法采角i 。万1 留1 ) ( g q 阶耖一炉一。桫一蝴 2 万1 留2 ) ( 碍_ f ) 驴静h i 蚴廿h - d 却2 - d 。姚 在对象的输入中叠加譬均值方差为o - o o l 舱自噪声建模信号，取xl = k2 = 0 0 1 。甜”和6 可根据经验预置一个数此处均设定为0 1 。当系统延时发生变化，从( 1 0 ，2 0 ，1 8 。1 4 ) 变化为( 1 4 ，2 2 ，2 0 ，1 8 ) 时两个通道的输出以及经过自适应过程詹的情况见嘲嫂和圈五， 强六靼霆七是在髭蒸始上，系统增蘸获 0 5 ，0 。l ，& 1 ，0 5 ) 囊纯为( 0 。6 ，0 。2 ，0 。3 ， 0 7 ) 后的两通道输出和经过自适成过程后的情况 第四章控制系统的算法仿真 图4 - 4y 1 输出图4 5y 2 输出 图4 - 6y 1 输出图4 7y 2 输出 比较以上的系统输出情况，可知采用自适应控制可有效提高系统的鲁棒性。 4 4 参数估计误差对系统性能的影响 由于模型只是实际系统在某种可接受程度上的近似，实际系统总是与模型存在误差， 采用在线辨识后。由于测量系统存在着各种干扰，采集数据可能出现缺失等因素，模型误 差仍存在。过大的模型误差使控制系统的性能下降，严重时甚至使控制系统不稳定。在采 用内模控制方法后，这种情况获得了改善，从以上的仿真图形中可以看出，即使系统参数 发生了变化，系统的模型误差增加。系统的输出仍是稳定的，虽然系统的超调有所增加， 总体性能可以满足要求 4 5 印染机温度控制系统的自适应过程 印染机温度控制系统在初次启动时由于系统参数是未知的，必须首先进行系统的参 数辨识。一般可采用离线和在线方法获得初始参数，显然在线方法更加方便，也是自适应 系统的基本要求所以首先应选择一个合适的采样周期进行离散化，然后在系统中加入白 噪卢建模信号进行系统参数辨识获得系统的初始参数，最后启动系统的闭环自适应功能。 东南太学蘸士擘臻论文 根据自适应算法，酯”和联铆不能为零谮则出现计算溢出即使写成j 高蒙则 系统戆控衡量兔零，掰璇所谑豹“新搿”现象，这在藏翻系统中是誉兔诲静。解决蠢法是霹) 和6 5 勰不参加辨识，直接由经验预麓一个数，即使与实际参数存在误差，也可以通过内模 控澍嚣遴霉亍调节，缳掩系统性魏，媳霹在控割囊巾勰入适当约嚣零甥蕊静自噪零信号班防 系统颧开，设实酥系统参数如下； a p l ： 一( o 5 5 3 + 0 6 0 9 ) 0 5 6 3 * 0 6 0 9 ： b p l l = 1 - 0 2 0 9 * 0 1 2 ： b p l 2 = i - 0 1 6 3 3 蝴0 3 ； d 1 1 - - 5 ： d 1 2 = 8 ： a p 2 = 一( 0 7 4 9 + 0 4 6 1 ) 0 7 4 9 * 0 4 6 1 】： b p 2 1 = 1 - 0 3 6 1 * 0 0 4 ； b