变时滞系统的辨识自适应控制算法的改进与仿真研究

1、过程控制化工自动化及仪表,2010,37(1:2527Contro l and Instru m ents i n Che m ical Industry变时滞系统的辨识自适应控制算法的改进与仿真研究王 秀,陈 菊,朱学峰(华南理工大学自动化科学与工程学院,广州510640摘要: 城市供水出水浊度过程控制是大时滞难控对象,Sm ith 预估控制方法的研究有效地改善了时滞带来的控制困难的问题,但是当系统模型不精确时,很难获得好的控制品质。采用时滞辨识自适应方法,有好的控制效果,但当被控系统的时滞参数是时变时,在一定范围内可能存在的时滞辨识的效果不理想,所以提出采用变搜寻区域的辨识方法,可以实时地

2、搜索出真实过程的时滞。该算法用于变时滞的系统,具有良好的控制品质和较强的自适应能力。关键词: 浊度控制;S m i th 预估器;时滞辨识中图分类号:T P273 文献标识码:A 文章编号:1000-3932(201001-0025-031 引 言在城市供水出水浊度过程控制中,加药絮凝控制是一类大时滞变时滞的系统1,针对Sm it h 预估器存在的对模型依赖的问题,许多学者对其进行了深入研究,提出了在应用它时所必须注意的一些问题及一些改进的方案,大致可以分为以下两种:一是基于结构上的改进,它们结合智能控制的各种方法,即通过在不同位置增加一些并联或者串联的环节进行补偿;二是在参数整定上的改进。但

3、是,通过对许多改进的S m ith 控制方法的研究,发现当被控系统的时滞参数是时变的情况时,大部分的方法都失效了,所以有必要对时滞参数进行在线辨识24。文献5采用快速下降法求得滞后时间。虽然滞后时间参数是一致收敛的,但是寻优的快慢与步长有关,而且步长的确定是比较困难的。文献6采用互相关函数对滞后时间进行辨识,通过检测相关函数的峰值可测得两个信号的延迟时间。文献7利用信号的相关性分析技术中的平均幅度差函数,实时估计调整预估器的滞后时间。在前人研究的基础上8,9,提出一种简单的时滞辨识自适应S m ith 修正控制算法,即变时滞搜寻校正算法。在试验阶段已经取得了良好的效果。2 时滞辨识自适应S m

4、 it h 修正控制算法 带预估器的闭环控制系统如图1所示。 图1 带预估器的闭环控制系统设单输入-单输出系统特性为:y (k=z -dG (z u(k (1 令:y *(k =G *(z u (k (2及预估输出为:y P(k =y (k+y *(k -y *(k -d *(3 考虑预期输出与预估输出的偏差:e P(k =r (k -y P(k(4控制器G c (z选择P I 控制器,控制律为:$u (k =k p e P(k -e P(k -1+k i e P(k (5图1系统的闭环特征方程为:1+G *(z G c (z+z -dG (z -z-(d *-d G *(zG c (z =0

5、(6显然,仅当G (z-z-(d *-dG *(z =0时,即模型和实际系统完全匹配时,闭环系统才能完全消除滞后环节带来的不利影响。但是,实际系统的特性是时变的,不可能用数学模型来完全描述;同时其纯滞后时间也可能是时变的,所以系统模型不可能与实际系统完全匹配。由式(6看,最理想的情况是:G (z -z-(d *-d G *(z y m in(7若预估模型G *(z已确定,给出纯滞后时间的搜索范围,只要寻找到满足上式的d *,就找到最佳的预估滞后时间。式(7即为预估滞后时间的搜索算法。这种时滞辨识自适应修正Sm ith 控制算法,主要针对模型时滞不匹配对控制效果的显著影响情*收稿日期:2009-

6、10-10(修改稿基金资助:广东省科技计划项目(2005B10201005;2007佛山市禅城区产学研项目(2007B1038况,通过搜寻出过程的真实滞后时间,来校正模型的时滞,使系统获得满意的动态特性,具体算法如下:(1参照辨识的过程参数,给出预估模型G *(z ;(2给出纯滞后时间的搜索范围n 1,n 2(n 1d n 2;(3由式(2计算出无滞后的输出y *(k,y *(k-1,y *(k -n 2;(4由搜索算式(7变换得到:$y *(j=m i n n 1j n2y (k-y *(k -j(8按式(8进行搜索获得的j 即为d *; (5令d*=j ,根据式(3、式(4,求预估输出y

7、P(k 和偏差e P(k;(6根据式(5计算控制律$u(k 及u (k; (7k =k +1,转到第3步,进行新一轮计算。3 时滞辨识自适应S m it h 修正算法仿真为了比较增益自适应Sm it h 修正控制算法的校正效果,选择典型的控制对象10。采样周期为1s ,P I D 控制参数通过模型对象进行整定,选取K p =0.1,K i =0.06,其传递函数为:G p (s=24s +1e -4s(9保持过程的其他参数与模型匹配的情况下,真实的过程时滞变化为d =8,模型时滞d *=4,即过程函数为G p (s=24s +1e -8s,模型对象为G m (s=24s +1e -4s。选取搜

8、索区域1,10,得到的系统参数直接用PI D 参数进行整定,Sm ith 预估器整定和时滞辨识自适应的S m ith 整定的控制曲线如图2所示。程序运行,显示搜索出来的时滞为8,即为真实的时滞。图2 时滞为8时滞辨识控制效果图由图2可以看出,传统的Sm ith 控制改善了反馈信号的延时,系统的响应大大改善。但是在模型不精确的情况下,控制精度不能令人满意。时滞辨识自适应S m ith 控制算法在时滞不匹配的情况下具 有很强的自适应和自校正能力,达到很好的控制效果。而且试验验证,当选取的搜索区域覆盖了真正的时滞时间时,模型时滞的大小选取对控制效果没有影响,真正地提高了系统的鲁棒性及在一定程度上S

9、m ith 控制器对模型时滞时间的要求限制。4 时滞辨识自适应S m it h 修正算法的改进 从上图中可以看到时滞辨识自适应控制的优越性,但也存在着一些问题,在此基础上,进行了一些改进使得能更适应实际工业控制的要求。遇到的两个问题是:当预估模型不精确,无法确定实际模型的时滞时间时,往往取较大范围的值以确保包含时滞进行搜索计算,这样范围值取值过大,计算速率变小;当过程受到外界影响,时滞改变,超出了预先估计的时滞区间时,由于搜索范围的限定,则可能搜索不到过程真正的时滞,控制质量会明显恶化。4.1 变搜寻区域时滞辨识自适应控制从上述算法的原理上,我们可看出,该算法对时滞参数具有校正作用。仍然对上述

10、对象进行研究,时滞变化为d =8,模型时滞d*=4时,试验中发现当选取搜索区域涵盖了真正的时滞时间时,搜寻区域的大小变化不会影响最后的搜寻结果,即搜寻区间为1,10或者是3,12时,试验结果是一样的。但是,当搜寻区间的估计不准确时,也就是只涵盖了模型时滞的变化区间,在本例中区间取得1,5,而没有涵盖真正的时滞d =8时,由于无法搜寻出过程的真正时滞值,控制结果就不如传统的S m ith 控制器。如图3所示。正如本文改进算法所关注的,当对象的时滞变化时,搜寻区域也应该相应的变化,如果搜寻区域不能涵盖时滞时间,整定结果不能令人满意。图3 不同搜寻区域的时滞辨识控制效果图可见,搜寻区间的选取会直接影

11、响控制效果。由于各种原因,一个实际过程的时滞范围有时也不容易确定。其确定后的唯一性也限制了时滞辨识自适应特长的发挥,而如果控制过程中对象的时滞发生变化,控制很难达到人们期望的要求。#26#化工自动化及仪表 第37卷在上述时滞辨识自适应的算法流程中,搜寻的区域应该根据每次获得的j 值重新获得。在每次搜寻到j 值的基础上,n 1和n 2的值应该分布在以j 值为中心的区域。所以算法步骤(4应改为: 步骤(4由搜索算式(7变换得到:$y *(j=m i n n 1j n2y (k-y *(k -j(10按式(8进行搜索获得的j 即为d *。n 2 ,n 1=d *?n .其中设定n =3、5时,仍然对

12、于上述对象,初始搜寻范围为1,5。仿真结果如图4所示。图4 变搜寻区域时滞辨识自适应控制效果由上图可见,在初始搜寻区域不包含真正时滞的情况下,变搜寻区域也能很快找到时滞进行调节,变化的幅度,即n 值的取值大小并不影响控制效果。4.2 供水加药絮凝过程仿真研究鉴于上述理论的研究,我们对自来水厂的加药絮凝过程进行仿真辨识。因为水厂的进水浊度和进水流量会因环境而变化,进而影响了在一定的加药量下控制过程的时滞。初始设定的搜寻范围为15,35,遇到暴雨天气,进水流量变大,时滞变大,进行仿真实验。系统的过程为:G (s=0.90252s +1e -26s (11PI 整定参数为:K p =0.15,K i

13、 =0.0105。进行改进后时滞辨识自适应的控制结果如图5所示。时滞变为40时,在控制器P I D 参数不变的情况下,控制效果变坏,而如果在这种情况下采用上述叙述的 改进变区间时滞辨识Sm it h 控制,效果甚至优于时滞为26时的控制。由图可以看出,当时滞变化时,由于控制器PI D 参数没有改变,控制结果很不理想,运用上述提出的改进的时滞辨识自适应控制克服了模型中时滞不精确和预先不知道时滞区间的缺点,改善了控制品质,取得了良好的效果。图5 进行改进后的控制对比5 结 论本章在提出一种时滞辨识自适应S m ith 控制算法的基础上进行改进,通过变搜寻范围,搜索出真实的过程滞后时间,从而校正模型

14、的时滞参数,来克服传统Sm ith 控制对模型的依赖性和对设定搜寻范围的限定性。该控制算法简单易行,能较快地搜索出过程的真正时滞。将此法与其它校正过程放大倍数、时间常数变化的方法结合,可望得到更满意的效果。参考文献:1 肖术骏,陶 瑞,王 秀,等.I M C -P I D 在水厂出水浊度控制中的仿真研究J.自动化与仪表,2009,24(1:36-38.2 宋云霞,朱学峰.大时滞过程控制方法及应用J.化工自动化及仪表,2001,28(4:9-15.3 陈怡轩,姜复兴,吴广玉.时变大滞后系统的一种自校正控制方案J.化工自动化及仪表,1988,15(23:17-19.4 何 杰,英锐男,盛占石.用于

15、时滞不确定系统的自适应Sm i th 预估器J.江苏理工大学学报,2001,22(3:75-78.5 杨志远,吕跃刚.时变时滞系统的参数辨识及自适应控制J.信息与控制,1993,22(2:76-81.6 崔玉萍.一种基于时滞辨识的模糊Sm it h 控制J.电光与控制,2005,12(4:71-75.7 王华强,李海波,胡 平.一种改进的自适应Sm ith 预估器J.合肥工业大学学报,2007,30(3:316-318.8 江青茵.无辨识自适应控制预估算法及应用J.自动化学报,1997,23(1:107-111.9 罗文广.过热汽温的无辨识自适应预估控制研究J.系统仿真学报,2007,19(2

16、4:5747-5750.10 陈 菊.城市供水加药凝絮沉淀过程的控制研究D .广州:华南理工大学,2009.The M odification and Research of Identificati on Adapti ve Pre d ictive Controlfor Variab le T i m e D elay Syste m WANG X i u ,CHEN Ju ,Z HU X ue -fe ng(College of Auto mation Science and Engineering,Sout h Chi na University o f T echnolo gy ,G

17、uangzhou 510640,China(下转第38页#27# 第1期 王 秀等.变时滞系统的辨识自适应控制算法的改进与仿真研究 图5 PSO -LSSVR 算法预测截面含气率结果图6 LS-SVR 算法预测截面含气率结果6 结 论(1本方法所设计的实验系统既防止了水的极化又不会破坏流型,保证了测试的准确性,另外,通过实验发现环状流形成时截面含气率都在0.75以上。(2针对LSS VR 算法中的最优参数(R ,C 的选择缺乏理论指导的难点以及环状流截面含气率测量条件要求高的现实,本文采用PSO 算法对LSSVR 的参数进行寻优,以优化后的算法为基础,通过建立软测量模型的途径实现环状流形成时截

18、面含气率的测量,取得了良好的测量效果。(3将软测量技术与虚拟仪器技术进行结合,为环状流截面含气率的在线自动测量提供了有效的技术和手段。参考文献:1 郭烈锦.两相与多相流动力学M .西安:西安交通大学出版社,2002:74-75.2 陈宣政.气液两相流垂直向上流动流型转变的机理与判据J.西安交通大学学报,1992,26(增刊:25-26.3 俞金寿.软测量技术及其应用J.自动化仪表,2008,29(1:1-2.4 王宏志,陈 帅,侍洪波.基于最小二乘支持向量机和PSO算法的电厂烟气含氧量软测量J .热力发电,2008,37(3:35-36.5 秦树人.虚拟仪器M .北京:中国计量出版社,2004

19、.6 陈金凤,杨慧中.混合核支持向量机在化工软测量中的应用研究J.化工自动化及仪表,2008,35(2:36-37.7 张树团,张晓斌,雷 涛,等.基于粒子群算法和支持向量机的故障诊断研究J .计算机测量与控制,2008,16(11:1573-1574.8 周启平,张 扬,吴 琼.Vx W ork s 开发指南与Tornado 实用手册M .北京:中国电力出版社,2004.9 熊建秋.水科学信息分析新方法及其应用D .成都:四川大学水利水电学院,2006.10 郭 辉,刘贺平,王 玲.最小二乘支持向量机参数选择方法及其应用研究J.系统仿真学报,2006,18(7:2033-2051.11 KE

20、NNEDY J ,RUSSELL C E.Particl e Sw ar m Opti m i zati onM .I EEE Press ,1995:1942-1948.12 孙 斌.基于小波和混沌理论的气液两相流流型的智能识别方法D .保定:华北电力大学,2005.SoftM easure m entM ethod of Void Fraction of Annu l ar F lo w Based on PS O-L SS VRZ HOU Y un -long ,HE X i ao -b i n(Colle ge of P o w er and M achiner y,N ortheas

21、t D ianli Universit y,Jilin 132012,China Abstract :The vo i d fraction of annular flo w w as usuall y rather d iffic ulty to be d irectl y m easured on -line because of the strict m easure ment conditions .The key tec hno l ogy of soft -sensi ng was to constr uct an appropri ate mathe matic m ode,l

22、on the basis o f a nalyzi ng the particle s war m optm i ization (PSO a l gorithm and least squares support vector re -gressi on (LSSVR ,PSO al gorit hm was applied to opt m i ize t he para m eters o f LSSVR .The PSO -LSSVR m ode about soft se nsing of void fraction of annu l ar flo w was c onstruct

23、ed .T he soft measure m ent o f void fracti on of annular flo w was realized .The results sho w t hat the model has effect i ve ge neration perfor m ance and high precisi on ,and prov i ds a ne w w ay to measure the vo i d fracti on of annular flo w.K ey words :annular flo w;vo i d fraction ;soft m

24、easure ment ;particle s war m opt m i izat i on a l gorithm;least squares sup -port vector regressi on(上接第27页Abstract :Beca use the turbidity contr o l syste m of m unici pal water suppl y plant had the c haracteristic of large tm i e delay ,it was al w ays diffi cult to be controlled .Sm ith predictive contr o l was stud i ed i n or der to solve the