引用本文

富月, 杜琼. 一类工业运行过程多模型自适应控制方法. 自动化学报, 2018, 44(7): 1250-1259. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160763

FU Yue, DU Qiong. Multi-model Adaptive Control Method for a Class of Industrial Operational Processes. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2018, 44(7): 1250-1259. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160763

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2017.c160763

关键词

工业运行过程，参数未知，多模型自适应控制，递推最小二乘算法 

摘要

针对一类动态未知的工业运行过程，提出一种基于神经网络补偿和多模型切换的自适应控制方法.为充分考虑底层跟踪误差对整个运行过程优化和控制的影响，将底层极点配置控制系统和上层运行层动态模型相结合，作为运行过程动态模型.针对参数未知的运行过程动态模型，设计由线性鲁棒自适应控制器、基于神经网络补偿的非线性自适应控制器以及切换机制组成的多模型自适应控制算法.采用带死区的递推最小二乘算法在线辨识控制器参数，克服了投影算法收敛速度慢、对参数初值灵敏的局限.理论分析和仿真实验结果表明了所提方法的有效性.

文章导读

工业过程运行反馈控制包括底层回路关键被控变量的反馈控制和上层运行指标的反馈控制, 也就是说, 工业过程运行反馈控制不仅包括保证过程控制系统关键被控变量的跟踪控制, 而且还要选择合适的关键被控变量设定值, 实现运行指标目标值的跟踪[1].如图 1所示, 传统的工业过程运行反馈控制过程中, 关键被控变量的设定值Y^∗=y^∗_j, j=1,2，, n由工序作业班的运行工程师根据运行指标目标值R^∗=R^∗_i, j=1,2,,m和多年积累的人工操作经验, 并结合各种运行工况信息人为给出.为实现工业运行过程的自动控制, 自上世纪80年代末以来, 很多学者开展了工业运行过程控制方法的研究.文献[2]基于分层递阶控制的架构和多层优化理论, 提出了反馈优化控制的思想.文献[3]通过离线选择与工业过程经济效益相关的被控变量的设定值, 提出了自优化控制的概念.文献[4]将底层回路控制与过程运行优化相结合, 提出了具有两层结构的实时优化(Real time optimization, RTO)控制方法, 上层采用静态模型优化经济性能指标, 产生底层控制回路的设定值, 通过底层控制器使被控变量跟踪设定值, 从而尽可能使过程运行在经济指标目标值附近.文献[5]将RTO与模型预测控制相结合, 提出了具有三层结构的运行反馈控制方法.此外, 还有一些基于神经网络、模糊推理、案例推理等智能技术的运行反馈控制方法, 例如文献[6]将案例推理、规则推理以及神经网络相结合, 提出了工业运行过程的混合智能控制方法; 文献[7]将神经网络与模糊推理相结合, 提出了一种设定值的混合监控方法.

图 1  传统的运行反馈控制过程

上述运行反馈控制方法均假设底层过程控制可以跟踪运行控制给出的设定值, 没有考虑底层跟踪设定值的动态误差对整个运行过程优化和控制的影响.为解决这一问题, 文献[8-9]提出了使运行指标实际值与目标值偏差和控制回路输出与设定值跟踪误差的二次性能指标极小化的运行反馈控制方法.文献[10]提出了运行反馈解耦控制方法.上述方法均假设运行层的模型由底层关键被控变量与运行指标之间的静态模型精确描述.实际上, 运行指标反映产品在加工过程中的质量、效率、消耗等, 与底层控制回路的被控变量之间往往具有动态特性, 并且很难用精确的数学模型描述.

本文针对一类运行层为未知动态模型的工业运行过程, 提出一种新的多模型自适应控制方法.最早的多模型自适应控制方法通过线性模型和基于神经网络的非线性模型之间的切换不仅可以保证自适应系统有界输入和有界输出(Bound-input and bound-output, BIBO)稳定, 而且可以改善系统的跟踪性能[11], 但该方法只适用于单输入、单输出系统, 并且是在系统的未建模动态全局有界这一假设下实现的.文献[12]将上述方法推广到多变量系统, 提出了基于多模型与神经网络的多变量自适应控制方法, 放松了文献[11]对系统未建模动态全局有界的假设.文献[13-14]提出了多变量强耦合系统的多模型自适应解耦控制方法.文献[15]提出了参数跳变系统的多模型自适应控制方法.文献[16]提出了具有未知执行器非线性的多变量自适应控制方法.

上述多模型自适应控制方法都是针对底层被控对象设计的.这些方法采用带死区的投影算法对未知参数进行在线辨识.投影算法收敛速度慢, 对参数初值十分灵敏, 实际使用中只有当参数初值接近真值时, 才具有良好的收敛效果, 因此投影算法对过程的先验知识要求较高, 不适合应用于动态未知的工业运行过程.相比较, 递推最小二乘算法具有较快的收敛速度, 对参数初值不灵敏.本文提出的运行过程多模型自适应控制方法采用带死区的递推最小二乘方法对未知参数进行在线辨识.理论分析和仿真实验验证了所提方法的有效性.

图 2  多模型自适应控制系统结构

图 3  采用基于递推最小二乘算法的线性鲁棒自适应控制方法时, 运行过程的输出及运行指标目标值

工业运行过程应考虑底层跟踪设定值的动态误差对整个运行过程优化和控制的影响.现有的工业运行控制方法假设运行层为已知的线性静态模型.本文针对一类运行层为未知线性动态模型的工业运行过程, 提出了一种基于递推最小二乘算法的多模型自适应控制方法.通过理论分析和仿真比较, 验证了与现有的多模型自适应控制方法相比, 本文提出方法可以应用于工业运行过程, 并具有良好的跟踪效果.

工业过程运行控制是近年来控制领域比较热门的研究方向之一, 现有的方法针对的被控对象主要是线性的, 并且主要集中在理论研究上.在实际的工业过程控制中, 非线性动态无可避免, 当两层结构中的被控对象都是非线性时, 如何设计控制器, 如何将理论的研究成果进行实际应用具有一定的挑战.

作者简介

杜琼

东北大学信息科学与工程学院硕士研究生.2015年获得武汉科技大学信息科学与工程学院学士学位.主要研究方向为自适应控制, 解耦控制.E-mail:44668@wisdri.com

富月  

东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室副教授.2009年获得东北大学控制理论与控制工程专业博士学位.主要研究方向为复杂工业过程自适应控制, 智能解耦控制, 近似动态规划以及工业过程运行控制.本文通信作者.E-mail:fuyue@mail.neu.edu.cn