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無模型自適應(yīng)控制 又名:model-freeadaptivecontrol

無模型自適應(yīng)(MFA,Model-Free Adaptive)控制,顧名思義,是一種無需建立過程模型的自適應(yīng)控制方法,是由通控集團博軟公司(CyboSoft,General Cybernation Group Inc.)開發(fā)并擁有的專利技術(shù)。。無模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)具有如下屬性或特征: (1)無需精確的過程定量知識;(2)系統(tǒng)中不含過程辨識機制和辨識器;(3)不需要針對某一過程進行控制器設(shè)計;(4)不需要復(fù)雜的人工控制器參數(shù)整定;(5)具有閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和判據(jù),確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

  過程知識

  下面結(jié)合燃燒過程的控制詳細討論以下五個問題,闡述無模型自適應(yīng)控制理論的精髓:

  大多數(shù)先進控制技術(shù)都需要對過程及其環(huán)境有較深的了解,一般用拉普拉斯變換或動態(tài)微分方程來描述過程動態(tài)特性。然而在過程控制領(lǐng)域,許多系統(tǒng)過于復(fù)雜,或者其內(nèi)在規(guī)律難以了解,因此很難得到過程的定量知識,這通常稱為“黑箱”問題。

  在許多情況下,我們可能掌握了一些過程知識但是不知道這些知識是否精確。在包括燃燒控制的過程控制中,經(jīng)常碰到進料的波動,燃料類型和熱值的改變,下游需求不可預(yù)測的變化以及產(chǎn)品尺寸、配方、批次和負荷等頻繁的切換。這些就導(dǎo)致一個問題:即無法確定所掌握的過程知識的精確程度。這種現(xiàn)象通常被叫做“灰箱”問題。

  如果能掌握過程的大量知識,那就是一個“白箱”問題。在這種情況下,基于對過程的了解,利用成熟的控制方法及工具設(shè)計控制器就容易多了。

  盡管無模型自適應(yīng)控制器可以解決黑箱、灰箱和白箱問題,但更適用于灰箱問題,事實上大多數(shù)工業(yè)過程都是灰箱問題。

  過程辨識

  對于傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制方法,如果不能獲得過程的定量信息,一般需要采用某種辨識機制,以在線或離線的方式獲得系統(tǒng)的動態(tài)特性。由此產(chǎn)成了以下一些難以解決的問題:

  ·需要離線學(xué)習(xí);

  ·辨識所需的不斷的激勵信號與系統(tǒng)平穩(wěn)運行的矛盾;

  ·模型收斂和局部最小值問題;

  ·系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。

  基于辨識的控制方法不適用于過程控制的主要原因是控制和辨識是一對矛盾體。好的控制使系統(tǒng)處于一個穩(wěn)定狀態(tài),這種情況下設(shè)定值(SP)、控制器輸出(OP)和過程變量(PV)在趨勢圖中顯示出來的都是直線。任何穩(wěn)定系統(tǒng)都會達到另一個穩(wěn)定狀態(tài),而其中的過程動態(tài)特性的變化卻不能被察覺,因此通常需要施加激勵信號來進行有效的過程辨識。然而,實際生產(chǎn)過程很難容許這樣做。

  MFA控制系統(tǒng)中沒有辨識環(huán)節(jié)因此可以避免上述問題。一旦運行,MFA控制器就可立刻接管控制。MFA控制器中刷新權(quán)值的算法是基于一個單一的目標,即縮小設(shè)定值和過程變量之間的偏差。這意味著當(dāng)過程處于穩(wěn)定狀態(tài),偏差接近零時,不需要對MFA控制器的權(quán)值進行修改。

  控制器設(shè)計

  PID控制器仍然被廣泛使用的主要原因就在于它是一種通用型控制器,無需進行專門的控制器設(shè)計。為特殊的應(yīng)用設(shè)計控制器需要有豐富的經(jīng)驗。由于大多數(shù)先進控制器是基于模型的,其通用型性不夠,所以盡管這些方法已經(jīng)有三四十年的歷史了,至今還不能在過程控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

  MFA控制器是通用型控制器,并已經(jīng)開發(fā)出一系列MFA控制器用于控制各種問題回路。如SISOMFA控制器可直接取代PID,免去了復(fù)雜的控制器參數(shù)整定;非線性MFA控制器能控制極端非線性過程;抗滯后MFA控制器能控制大滯后過程;MIMOMFA控制器能控制多變量過程;前饋MFA控制器能抑制可測的擾動;以及魯棒MFA控制器能迫使過程變量維持在預(yù)定的范圍。

  MFA控制器的用戶,無需對控制器進行設(shè)計,只要選擇相應(yīng)的控制器并簡單地設(shè)定控制器參數(shù)就可以將MFA控制器投入使用。這是無模型自適應(yīng)控制器與其它基于模型的先進控制器的一個主要區(qū)別。

  控制器參數(shù)整定

  自適應(yīng)控制器不需要人工整定參數(shù),無模型自適應(yīng)控制器真正實現(xiàn)了這一點。無需參數(shù)整定,MFA就能自適應(yīng)過程動態(tài)特性的變化并克服潛在的擾動以滿足新的操作條件。用戶友好的MFA控制器保留了一些參數(shù)允許用戶及時地調(diào)整控制效果。

  系統(tǒng)穩(wěn)定性

  控制系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性對于控制器是否實用是非常重要的。如果掌握了閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù),就可以利用它來判斷控制系統(tǒng)能否安全地投入使用。如圖1所示,傳統(tǒng)的基于模型的自校正控制系統(tǒng)主要由三個部分組成:控制器、過程和模型。這里模型是指可以描述過程輸出和輸入關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式,通常是通過辨識器來建立的。辨識器利用過程輸入輸出的數(shù)據(jù)通過一定的學(xué)習(xí)算法減小模型的偏差em(t)(PV與模型輸出y2(t)之間的偏差)。

  符號:

  r(t)–設(shè)定值

  u(t)–控制器輸出

  y(t)–過程變量

  x(t)–過程輸出

  d(t)–干擾

  e(t)–偏差

  e(t)=r(t)-y(t)

  y2(t)–模型輸出

  em(t)–模型偏差

  em(t)=y2(t)-y(t)

  在這個系統(tǒng)中,整個閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與過程、控制器和模型有著以下幾個方面的聯(lián)系:

  ·假設(shè)過程是穩(wěn)定的(即過程開環(huán)穩(wěn)定);

  ·控制回路的穩(wěn)定性是由模型的收斂性來保證的;

  ·模型的收斂性需要控制回路穩(wěn)定并持續(xù)地發(fā)出激勵信號。

  這幾個條件形成了一個難以解決的死圈。因此,基于模型的自適應(yīng)控制系統(tǒng)沒有通用的穩(wěn)定性判據(jù)。也就是說,每次使用基于模型的自適應(yīng)控制器前,不得不分析它的穩(wěn)定性。顯然,這也是使用基于模型的自適應(yīng)控制方法的一個主要技術(shù)壁壘。

  相比之下,由于MFA不存在辨識環(huán)節(jié),因此論證出了一個通用的系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)。即,只要是一個無源過程(本身不產(chǎn)生能量或熱量的過程),閉環(huán)MFA控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性就可以得到保證,過程可以是線性/非線性,定常/時變等等。燃燒過程時一個無源的過程,其熱量的產(chǎn)生是由燃料燃燒帶來的。

  單回路MFA控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

  單輸入單輸出(SISO)MFA控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其結(jié)構(gòu)同傳統(tǒng)的單回路控制系統(tǒng)一樣簡單,包括一個單輸入單輸出過程,一個MFA控制器和一個反饋回路。

  符號:

  r(t)–設(shè)定值,SP

  u(t)–控制器輸出,OP

  y(t)–過程變量,PV

  x(t)–過程輸出

  d(t)–干擾

  e(t)–偏差

  e(t)=r(t)-y(t)

  控制目標

  這種控制器的控制目標是產(chǎn)生一個輸出u(t),迫使過程變量y(t)在設(shè)定值變化,存在擾動和過程動態(tài)特性改變的情況下仍然能跟蹤設(shè)定值r(t)。也就是,MFA控制器以在線的方式不斷減小設(shè)定值r(t)和過程變量y(t)之間的偏差e(t)。根據(jù)以下兩點使偏差e(t)最小:(i)MFA控制器的調(diào)節(jié)控制能力;(ii)不斷調(diào)整MFA控制器的權(quán)重因子,使得控制器有能力處理過程動態(tài)特性的改變,擾動和其它不確定因數(shù)。

  MFA控制系統(tǒng)沒有過程模型和辨識器。因此也沒有模型偏差em(t),只有設(shè)定值(r(t)或SP)和過程變量(y(t)或PV)之間的偏差e(t)是唯一的控制目標。

  MFA控制器結(jié)構(gòu)

  一個單輸入單輸出MFA控制器的基本結(jié)構(gòu)。該控制器在設(shè)計上采用了一個多層感知器結(jié)構(gòu)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN),有一個輸入層、一個具有N個神經(jīng)元的隱含層和一個單個神經(jīng)元的輸出層。

  在這個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中有一組可以根據(jù)需要而改變的權(quán)重因子(Wij和hi),從而對控制器的行為進行調(diào)整。更新權(quán)重因子的算法是以縮小設(shè)定值與過程變量之間的偏差為目標。由于其效果與控制目標是一致的,因此,采用權(quán)重因子能幫助控制器在過程動態(tài)特性發(fā)生變化的時候減小偏差。

  此外,基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MFA控制器保存了一部分歷史數(shù)據(jù),為了解過程動態(tài)特性提供有價值的信息。相比之下,數(shù)字式PID控制器只保留當(dāng)前的和之前的2個采樣數(shù)據(jù)。在這一點上,PID控制器幾乎沒有任何記憶能力,而MFA擁有一個“聰明”的控制器所必需的記憶能力。

  MFA控制系統(tǒng)的要求

  作為一個反饋控制系統(tǒng),MFA對被控對象有以下幾點要求:

  ·過程對象可控;

  ·開環(huán)穩(wěn)定;

  ·正作用或反作用(過程不變方向)。

  對于不可控的過程對象,則需要改進過程的結(jié)構(gòu)或匹配系統(tǒng)變量。

  對于開環(huán)不穩(wěn)定的過程對象,則需使它先穩(wěn)定下來。不過,對于某些開環(huán)不穩(wěn)定的過程,如無自衡的液位回路,使用MFA時就不需要進行特殊的處理。

  對于在操作范圍內(nèi)變方向的過程,則需要特殊的MFA控制器。僅需簡單地配置少量的MFA控制器的參數(shù)。

  功能配置

  基于MFA核心控制技術(shù),針對特殊的控制問題,設(shè)計了多種MFA控制器:[1]

  ·SISOMFA控制器(標準MFA)-取代PID,免去了復(fù)雜的控制器參數(shù)整定;

  ·非線性MFA控制器(NonlinearMFA)-控制極端非線性過程;

  ·MFApH控制器-控制pH過程;

  ·前饋MFA控制器(FeedforwardMFA)-抑制可測的擾動;

  ·抗滯后MFA控制器(Anti-delayMFA)-控制大滯后過程;

  ·魯棒MFA控制器(RobustMFA)-迫使過程變量維持在預(yù)定的范圍;

  ·時變MFA控制器(Time-varyingMFA)-控制大慣性、滯后時間不確定的過程;

  ·抗滯后MFApH控制器(Anti-delayMFApH)-控制大致滯后的pH過程;

  ·MIMOMFA控制器(多變量MFA)-控制多變量過程。

  通用型或針對特殊應(yīng)用場合設(shè)計的MFA控制器能很方便的嵌入于各種平臺,并且越來越多的平臺已經(jīng)能提供這些先進的控制器,包括樓宇控制器,單回路控制器,可編程邏輯控制器PLC),混合式控制器,過程自動控制器(PAC),控制軟件和集散控制系統(tǒng)(DCS)等。

  產(chǎn)品特色

  無模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)具有如下屬性或特征:[1]

  (1)無需精確的過程定量知識;

  (2)系統(tǒng)中不含過程辨識機制和辨識器;

 ?。?)不需要針對某一過程進行控制器設(shè)計;

 ?。?)不需要復(fù)雜的人工控制器參數(shù)整定;

  (5)具有閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和判據(jù),確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

  發(fā)展歷史

  自2003年起,CyboSoft開始向工業(yè)界儀器儀表和系統(tǒng)集成的領(lǐng)頭公司提供我們最常用的控制器。MFA控制方案可用于個人計算機、堅固儀器、可編程自動控制器(PAC,如NI公司的CompactFieldPoint)、可編程邏輯控制器(PLC,如BristolBabcock的ClassI,Div2認證的ControlWave),以及真正開放的基于Linux的控制器(如SIXNET的IPmDCS控制器)


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