1、過程控制化工自動化及儀表,2010,37(1:2527Contro l and Instru m ents i n Che m ical Industry變時滯系統的辨識自適應控制算法的改進與仿真研究王 秀,陳 菊,朱學峰(華南理工大學自動化科學與工程學院,廣州510640摘要: 城市供水出水濁度過程控制是大時滯難控對象,Sm ith 預估控制方法的研究有效地改善了時滯帶來的控制困難的問題,但是當系統模型不精確時,很難獲得好的控制品質。采用時滯辨識自適應方法,有好的控制效果,但當被控系統的時滯參數是時變時,在一定范圍內可能存在的時滯辨識的效果不理想,所以提出采用變搜尋區域的辨識方法,可以實時地

2、搜索出真實過程的時滯。該算法用于變時滯的系統,具有良好的控制品質和較強的自適應能力。關鍵詞: 濁度控制;S m i th 預估器;時滯辨識中圖分類號:T P273 文獻標識碼:A 文章編號:1000-3932(201001-0025-031 引 言在城市供水出水濁度過程控制中,加藥絮凝控制是一類大時滯變時滯的系統1,針對Sm it h 預估器存在的對模型依賴的問題,許多學者對其進行了深入研究,提出了在應用它時所必須注意的一些問題及一些改進的方案,大致可以分為以下兩種:一是基于結構上的改進,它們結合智能控制的各種方法,即通過在不同位置增加一些并聯或者串聯的環節進行補償;二是在參數整定上的改進。但

3、是,通過對許多改進的S m ith 控制方法的研究,發現當被控系統的時滯參數是時變的情況時,大部分的方法都失效了,所以有必要對時滯參數進行在線辨識24。文獻5采用快速下降法求得滯后時間。雖然滯后時間參數是一致收斂的,但是尋優的快慢與步長有關,而且步長的確定是比較困難的。文獻6采用互相關函數對滯后時間進行辨識,通過檢測相關函數的峰值可測得兩個信號的延遲時間。文獻7利用信號的相關性分析技術中的平均幅度差函數,實時估計調整預估器的滯后時間。在前人研究的基礎上8,9,提出一種簡單的時滯辨識自適應S m ith 修正控制算法,即變時滯搜尋校正算法。在試驗階段已經取得了良好的效果。2 時滯辨識自適應S m

4、 it h 修正控制算法 帶預估器的閉環控制系統如圖1所示。 圖1 帶預估器的閉環控制系統設單輸入-單輸出系統特性為:y (k=z -dG (z u(k (1 令:y *(k =G *(z u (k (2及預估輸出為:y P(k =y (k+y *(k -y *(k -d *(3 考慮預期輸出與預估輸出的偏差:e P(k =r (k -y P(k(4控制器G c (z選擇P I 控制器,控制律為:$u (k =k p e P(k -e P(k -1+k i e P(k (5圖1系統的閉環特征方程為:1+G *(z G c (z+z -dG (z -z-(d *-d G *(zG c (z =0

5、(6顯然,僅當G (z-z-(d *-dG *(z =0時,即模型和實際系統完全匹配時,閉環系統才能完全消除滯后環節帶來的不利影響。但是,實際系統的特性是時變的,不可能用數學模型來完全描述;同時其純滯后時間也可能是時變的,所以系統模型不可能與實際系統完全匹配。由式(6看,最理想的情況是:G (z -z-(d *-d G *(z y m in(7若預估模型G *(z已確定,給出純滯后時間的搜索范圍,只要尋找到滿足上式的d *,就找到最佳的預估滯后時間。式(7即為預估滯后時間的搜索算法。這種時滯辨識自適應修正Sm ith 控制算法,主要針對模型時滯不匹配對控制效果的顯著影響情*收稿日期:2009-

6、10-10(修改稿基金資助:廣東省科技計劃項目(2005B10201005;2007佛山市禪城區產學研項目(2007B1038況,通過搜尋出過程的真實滯后時間,來校正模型的時滯,使系統獲得滿意的動態特性,具體算法如下:(1參照辨識的過程參數,給出預估模型G *(z ;(2給出純滯后時間的搜索范圍n 1,n 2(n 1d n 2;(3由式(2計算出無滯后的輸出y *(k,y *(k-1,y *(k -n 2;(4由搜索算式(7變換得到:$y *(j=m i n n 1j n2y (k-y *(k -j(8按式(8進行搜索獲得的j 即為d *; (5令d*=j ,根據式(3、式(4,求預估輸出y

7、P(k 和偏差e P(k;(6根據式(5計算控制律$u(k 及u (k; (7k =k +1,轉到第3步,進行新一輪計算。3 時滯辨識自適應S m it h 修正算法仿真為了比較增益自適應Sm it h 修正控制算法的校正效果,選擇典型的控制對象10。采樣周期為1s ,P I D 控制參數通過模型對象進行整定,選取K p =0.1,K i =0.06,其傳遞函數為:G p (s=24s +1e -4s(9保持過程的其他參數與模型匹配的情況下,真實的過程時滯變化為d =8,模型時滯d *=4,即過程函數為G p (s=24s +1e -8s,模型對象為G m (s=24s +1e -4s。選取搜

8、索區域1,10,得到的系統參數直接用PI D 參數進行整定,Sm ith 預估器整定和時滯辨識自適應的S m ith 整定的控制曲線如圖2所示。程序運行,顯示搜索出來的時滯為8,即為真實的時滯。圖2 時滯為8時滯辨識控制效果圖由圖2可以看出,傳統的Sm ith 控制改善了反饋信號的延時,系統的響應大大改善。但是在模型不精確的情況下,控制精度不能令人滿意。時滯辨識自適應S m ith 控制算法在時滯不匹配的情況下具 有很強的自適應和自校正能力,達到很好的控制效果。而且試驗驗證,當選取的搜索區域覆蓋了真正的時滯時間時,模型時滯的大小選取對控制效果沒有影響,真正地提高了系統的魯棒性及在一定程度上S

9、m ith 控制器對模型時滯時間的要求限制。4 時滯辨識自適應S m it h 修正算法的改進 從上圖中可以看到時滯辨識自適應控制的優越性,但也存在著一些問題,在此基礎上,進行了一些改進使得能更適應實際工業控制的要求。遇到的兩個問題是:¹當預估模型不精確,無法確定實際模型的時滯時間時,往往取較大范圍的值以確保包含時滯進行搜索計算,這樣范圍值取值過大,計算速率變小;º當過程受到外界影響,時滯改變,超出了預先估計的時滯區間時,由于搜索范圍的限定,則可能搜索不到過程真正的時滯,控制質量會明顯惡化。4.1 變搜尋區域時滯辨識自適應控制從上述算法的原理上,我們可看出,該算法對時滯參數

10、具有校正作用。仍然對上述對象進行研究,時滯變化為d =8,模型時滯d*=4時,試驗中發現當選取搜索區域涵蓋了真正的時滯時間時,搜尋區域的大小變化不會影響最后的搜尋結果,即搜尋區間為1,10或者是3,12時,試驗結果是一樣的。但是,當搜尋區間的估計不準確時,也就是只涵蓋了模型時滯的變化區間,在本例中區間取得1,5,而沒有涵蓋真正的時滯d =8時,由于無法搜尋出過程的真正時滯值,控制結果就不如傳統的S m ith 控制器。如圖3所示。正如本文改進算法所關注的,當對象的時滯變化時,搜尋區域也應該相應的變化,如果搜尋區域不能涵蓋時滯時間,整定結果不能令人滿意。圖3 不同搜尋區域的時滯辨識控制效果圖可見

11、,搜尋區間的選取會直接影響控制效果。由于各種原因,一個實際過程的時滯范圍有時也不容易確定。其確定后的唯一性也限制了時滯辨識自適應特長的發揮,而如果控制過程中對象的時滯發生變化,控制很難達到人們期望的要求。#26#化工自動化及儀表 第37卷在上述時滯辨識自適應的算法流程中,搜尋的區域應該根據每次獲得的j 值重新獲得。在每次搜尋到j 值的基礎上,n 1和n 2的值應該分布在以j 值為中心的區域。所以算法步驟(4應改為: 步驟(4由搜索算式(7變換得到:$y *(j=m i n n 1j n2y (k-y *(k -j(10按式(8進行搜索獲得的j 即為d *。n 2 ,n 1=d *?n .其中設

12、定n =3、5時,仍然對于上述對象,初始搜尋范圍為1,5。仿真結果如圖4所示。圖4 變搜尋區域時滯辨識自適應控制效果由上圖可見,在初始搜尋區域不包含真正時滯的情況下,變搜尋區域也能很快找到時滯進行調節,變化的幅度,即n 值的取值大小并不影響控制效果。4.2 供水加藥絮凝過程仿真研究鑒于上述理論的研究,我們對自來水廠的加藥絮凝過程進行仿真辨識。因為水廠的進水濁度和進水流量會因環境而變化,進而影響了在一定的加藥量下控制過程的時滯。初始設定的搜尋范圍為15,35,遇到暴雨天氣,進水流量變大,時滯變大,進行仿真實驗。系統的過程為:G (s=0.90252s +1e -26s (11PI 整定參數為:K

13、 p =0.15,K i =0.0105。進行改進后時滯辨識自適應的控制結果如圖5所示。時滯變為40時,在控制器P I D 參數不變的情況下,控制效果變壞,而如果在這種情況下采用上述敘述的 改進變區間時滯辨識Sm it h 控制,效果甚至優于時滯為26時的控制。由圖可以看出,當時滯變化時,由于控制器PI D 參數沒有改變,控制結果很不理想,運用上述提出的改進的時滯辨識自適應控制克服了模型中時滯不精確和預先不知道時滯區間的缺點,改善了控制品質,取得了良好的效果。圖5 進行改進后的控制對比5 結 論本章在提出一種時滯辨識自適應S m ith 控制算法的基礎上進行改進,通過變搜尋范圍,搜索出真實的過

14、程滯后時間,從而校正模型的時滯參數,來克服傳統Sm ith 控制對模型的依賴性和對設定搜尋范圍的限定性。該控制算法簡單易行,能較快地搜索出過程的真正時滯。將此法與其它校正過程放大倍數、時間常數變化的方法結合,可望得到更滿意的效果。參考文獻:1 肖術駿,陶 瑞,王 秀,等.I M C -P I D 在水廠出水濁度控制中的仿真研究J.自動化與儀表,2009,24(1:36-38.2 宋云霞,朱學峰.大時滯過程控制方法及應用J.化工自動化及儀表,2001,28(4:9-15.3 陳怡軒,姜復興,吳廣玉.時變大滯后系統的一種自校正控制方案J.化工自動化及儀表,1988,15(23:17-19.4 何

15、杰,英銳男,盛占石.用于時滯不確定系統的自適應Sm i th 預估器J.江蘇理工大學學報,2001,22(3:75-78.5 楊志遠,呂躍剛.時變時滯系統的參數辨識及自適應控制J.信息與控制,1993,22(2:76-81.6 崔玉萍.一種基于時滯辨識的模糊Sm it h 控制J.電光與控制,2005,12(4:71-75.7 王華強,李海波,胡 平.一種改進的自適應Sm ith 預估器J.合肥工業大學學報,2007,30(3:316-318.8 江青茵.無辨識自適應控制預估算法及應用J.自動化學報,1997,23(1:107-111.9 羅文廣.過熱汽溫的無辨識自適應預估控制研究J.系統仿真

16、學報,2007,19(24:5747-5750.10 陳 菊.城市供水加藥凝絮沉淀過程的控制研究D .廣州:華南理工大學,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 e

17、chnolo gy ,Guangzhou 510640,China(下轉第38頁#27# 第1期 王 秀等.變時滯系統的辨識自適應控制算法的改進與仿真研究 圖5 PSO -LSSVR 算法預測截面含氣率結果圖6 LS-SVR 算法預測截面含氣率結果6 結 論(1本方法所設計的實驗系統既防止了水的極化又不會破壞流型,保證了測試的準確性,另外,通過實驗發現環狀流形成時截面含氣率都在0.75以上。(2針對LSS VR 算法中的最優參數(R ,C 的選擇缺乏理論指導的難點以及環狀流截面含氣率測量條件要求高的現實,本文采用PSO 算法對LSSVR 的參數進行尋優,以優化后的算法為基礎,通過建立軟測量模型

18、的途徑實現環狀流形成時截面含氣率的測量,取得了良好的測量效果。(3將軟測量技術與虛擬儀器技術進行結合,為環狀流截面含氣率的在線自動測量提供了有效的技術和手段。參考文獻:1 郭烈錦.兩相與多相流動力學M .西安:西安交通大學出版社,2002:74-75.2 陳宣政.氣液兩相流垂直向上流動流型轉變的機理與判據J.西安交通大學學報,1992,26(增刊:25-26.3 俞金壽.軟測量技術及其應用J.自動化儀表,2008,29(1:1-2.4 王宏志,陳 帥,侍洪波.基于最小二乘支持向量機和PSO算法的電廠煙氣含氧量軟測量J .熱力發電,2008,37(3:35-36.5 秦樹人.虛擬儀器M .北京:

19、中國計量出版社,2004.6 陳金鳳,楊慧中.混合核支持向量機在化工軟測量中的應用研究J.化工自動化及儀表,2008,35(2:36-37.7 張樹團,張曉斌,雷 濤,等.基于粒子群算法和支持向量機的故障診斷研究J .計算機測量與控制,2008,16(11:1573-1574.8 周啟平,張 揚,吳 瓊.Vx W ork s 開發指南與Tornado 實用手冊M .北京:中國電力出版社,2004.9 熊建秋.水科學信息分析新方法及其應用D .成都:四川大學水利水電學院,2006.10 郭 輝,劉賀平,王 玲.最小二乘支持向量機參數選擇方法及其應用研究J.系統仿真學報,2006,18(7:203

20、3-2051.11 KENNEDY J ,RUSSELL C E.Particl e Sw ar m Opti m i zati onM .I EEE Press ,1995:1942-1948.12 孫 斌.基于小波和混沌理論的氣液兩相流流型的智能識別方法D .保定:華北電力大學,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

21、 y,N ortheast 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 ma

22、tic m ode,l 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 wa

23、s c onstructed .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 fract

24、ion ;soft m 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頁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 th