專利名稱:一種嵌入式學(xué)習(xí)解耦控制方法及其控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動控制技術(shù)領(lǐng)域：
，具體指一種運(yùn)用學(xué)習(xí)解耦算法的嵌入式控制器。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代工業(yè)復(fù)雜生產(chǎn)過程中，為了提高控制質(zhì)量，一個生產(chǎn)裝置需要設(shè)計多個控制回路。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，各個控制回路之間常常會發(fā)生相互耦合，導(dǎo)致被控工藝參數(shù)相互影響，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，因此消除這種耦合控制影響已成為工業(yè)過程控制技術(shù)的一大難題。
眾所周知，傳統(tǒng)解耦控制的思想，主要是基于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型或工藝機(jī)理，進(jìn)行控制補(bǔ)償，從而減少或消除耦合影響，其解耦控制方法主要有提出的對角線矩陣綜合法、單位矩陣綜合法、前饋補(bǔ)償綜合法和極點(diǎn)配置法等。從20世紀(jì)90年代初起，隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種智能解耦控制技術(shù)，如模糊解耦控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制技術(shù)、自適應(yīng)解耦控制技術(shù)及遺傳算法解耦控制技術(shù)等，但這些解耦控制技術(shù)方法均比較復(fù)雜或?qū)崿F(xiàn)難度較大，甚至解耦效果不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于以一種比較簡單的方法，解決在多個控制回路場合存在各個控制回路之間發(fā)生相互耦合的問題，而提出的一種學(xué)習(xí)解耦控制方案，并給出了具體的解耦控制算法。
關(guān)于本發(fā)明提出的一種解耦控制方案一、解耦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)假設(shè)對一個雙輸入雙輸出線性耦合系統(tǒng)
x·1=a11x1+a12x2+b11u1+b12u2x·1=a21x1+a22x2+b21u1+b22u2]]>其中，x1，x2是工藝狀態(tài)變量，也是輸出變量；u1，u2是輸入變量，也是傳統(tǒng)非解耦的控制信號；aij，bij(i＝1，2；j＝1，2)是線性系數(shù)。附圖1所示是學(xué)習(xí)解耦控制器組成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
根據(jù)上述原理為了消除兩個控制回路之間的耦合影響，控制單元A和控制單元B需要相互通訊，按照一定的解耦算法運(yùn)算處理，然后協(xié)調(diào)控制執(zhí)行器A和執(zhí)行器B，從而實(shí)現(xiàn)控制變量的穩(wěn)定控制，并消除控制回路相互之間的耦合影響。
二、解耦控制算法對于工業(yè)生產(chǎn)過程中的大多數(shù)兩個控制回路之間存在耦合的控制對象，其數(shù)學(xué)模型均可以用一個雙輸入雙輸出線性控制對象表示。該數(shù)學(xué)模型可以表示為x·1=a11x1+a12x2+b11u1+b12u2x·1=a21x1+a22x2+b21u1+b22u2---(1)]]>其中，x1，x2是狀態(tài)變量，也是輸出變量；u1，u2是輸入變量，也是傳統(tǒng)非解耦的控制信號；aij，aij(i＝1，2；j＝1，2)是線性系數(shù)。
設(shè)控制單元A的控制模塊A和控制單元B的控制模塊B輸出信號分別為uc1和uc2；控制單元A分配給自身和控制單元B的信號分別為u11和u12，控制單元B分配給自身和控制單元A的信號分別為u22和u21，則控制單元A的輸出信號u1＝u11+u21，控制單元B的輸出信號u2＝u22+u12。下面以控制單元A為例，介紹其解耦控制算法。
為了實(shí)現(xiàn)在調(diào)節(jié)x1時保持x2穩(wěn)定不變，應(yīng)該使式(1)中第二個方程的右邊項(xiàng)等于零
x·2=a21x1+a22x2+b21u1+b22u2=0---(2)]]>因?yàn)閤2穩(wěn)定不變，所以a22x2可以視為常量，并且此時控制單元B的輸出不變。因此有a21x1+b21(u11+u21)+b22(u22+u12)＝-a22x2＝C (3)其中，C為一常量。在調(diào)節(jié)x1過程中，只要確保(3)式左邊項(xiàng)不變，即可消除對x2產(chǎn)生的耦合影響。因此有a21Δx1+b21(Δu11+Δu21)+b22(Δu22+Δu12)＝0 (4)因?yàn)棣22＝Δu21＝0，所以有a21Δx1+b21Δu11+b22Δu12＝0 (5)其中，Δx1，Δu11，Δu12分別是x1，u11，u12的動態(tài)變化量。這就是在調(diào)節(jié)x1時對x2的解耦條件，也是控制器A的控制模塊A動態(tài)變化值Δuc1的分配準(zhǔn)則。由(5)式推得Δu12Δu12=-1b22(a21Δx1+b21Δu11)]]>因?yàn)椋1＝Δe1(k)＝e1(k)-e1(k-1)(其中k是計算次數(shù))；令Δu11＝Δuc1，因此有Δu12(k)=-1b22(a21Δe1(k)+b21Δuc1(k))---(6)]]>令α1=-a21b22,β1=-b21b22,]]>則有Δu12(k)＝α1Δe1(k)+β1Δuc1(k) (7)同理，可得到調(diào)節(jié)x2時對x1的解耦條件，即控制單元B的控制模塊B動態(tài)變化值Δu2的分配關(guān)系a12Δx2+b11Δu21+b12Δu22＝0同樣Δx2＝Δe2(k)＝e2(k)-e2(k-1)，令Δu22＝Δuc2，因此有
Δu21(k)=-1b11(a12Δe2(k)+b12Δuc2(k))---(8)]]>令α2=-a12b11,β2=-b12b11,]]>則有Δu21(k)＝α2Δe2(k)+β2Δuc2(k) (9)于是，控制單元A的動態(tài)增量化輸出表達(dá)式為Δud1(k)＝Δuc1(k)+(α2Δe2(k)+β2Δuc2(k)) (10)控制單元B的動態(tài)輸出表達(dá)式為Δud2(k)＝Δuc2(k)+(α1Δe1(k)+β1Δuc1(k)) (11)由(10)、(11)式可以得知，對于數(shù)學(xué)模型已知時，α1，α2，β1，β2可以容易求得。對于數(shù)學(xué)模型未知的情況，可以利用最小二乘法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其它方法在線進(jìn)行學(xué)習(xí)尋優(yōu)，其目標(biāo)值就是在調(diào)節(jié)一個控制回路時，保證另外其它控制回路的工藝變量變化量為零。



圖1為學(xué)習(xí)解耦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明整機(jī)系統(tǒng)框圖；圖3為本發(fā)明控制單元結(jié)構(gòu)框圖；圖4為本發(fā)明硬件原理框圖；圖5為本發(fā)明軟件原理圖；圖6為本發(fā)明一個實(shí)施例恒溫恒液位系統(tǒng)圖；圖7、8為本發(fā)明仿真效果圖。
附圖中標(biāo)號說明1給定值A(chǔ)；2解耦控制器；3控制偏差A(yù)；4輸入信號A；5控制模塊A；6控制模塊A的輸出信號uc1；7控制單元A；8學(xué)習(xí)解耦分配模塊A；9學(xué)習(xí)解耦分配模塊A分配給信號輸出模塊A的控制信號u11；10學(xué)習(xí)解耦分配模塊B分配給信號輸出模塊A的控制信號u21；11信號輸出模塊A；12控制單元A的控制輸出信號u1；13執(zhí)行器；14傳感器A；15工藝對象；16工藝變量x1；17給定值B；18控制偏差B；19輸入信號B；20控制模塊B；21控制模塊B的輸出信號uc2；22控制單元B；23學(xué)習(xí)解耦分配模塊B；24學(xué)習(xí)解耦分配模塊B分配給信號輸出模塊B的控制信號u22；25學(xué)習(xí)解耦分配模塊A分配給信號輸出模塊B的控制信號u12；26信號輸出模塊B；27控制單元B的控制輸出信號u2；28執(zhí)行器B；29傳感器B；30工藝變量x2；31輸入接口；32輸出接口；33通訊接口；34控制單元輸入信號35控制模塊；36控制模塊輸出信號uc；37學(xué)習(xí)解耦分配模塊；38學(xué)習(xí)解耦分配模塊分配給所屬控制單元信號輸出模塊的控制信號；39信號輸出模塊；40控制單元控制輸出信號u；41控制單元；42分配至其它控制單元的控制信號；43其它控制單元分配來的控制信號；44輸入信號；45CPU；46輸出信號；47SDRAM存儲器；48FLASH閃存。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述假設(shè)，為了消除兩個A、B控制回路之間的耦合影響，則控制單元A和控制單元B需相互通訊，按照本發(fā)明設(shè)計的解耦算法運(yùn)算處理，然后協(xié)調(diào)控制執(zhí)行器A和執(zhí)行器B，從而實(shí)現(xiàn)控制變量的穩(wěn)定控制，并消除控制回路相互之間的耦合影響。
本發(fā)明的采用一種嵌入式學(xué)習(xí)解耦控制方法的控制器，包括至少兩個控制單元41、輸入接口31、輸出接口32和通訊接口33(如附圖2、3所示)。其中每個控制單元41對應(yīng)一個控制回路。每個控制單元41由控制模塊35、學(xué)習(xí)解耦分配模塊37和信號輸出模塊39組成，兩個控制單元相互通訊協(xié)調(diào)控制。仿真結(jié)果表明該解耦控制方案能夠?qū)崿F(xiàn)完全解耦，具有較好的控制性能和較強(qiáng)的適應(yīng)能力。
其中，每個控制單元對應(yīng)一個控制回路。每個控制單元41由控制模塊35、學(xué)習(xí)解耦分配模塊37和信號輸出模塊39組成，兩個控制單元相互通訊協(xié)調(diào)控制，并按照一定的解耦算法運(yùn)算處理，然后協(xié)調(diào)控制執(zhí)行器A和執(zhí)行器B，從而實(shí)現(xiàn)控制變量的穩(wěn)定控制，并消除控制回路相互之間的耦合影響。
本發(fā)明的一種嵌入式學(xué)習(xí)解耦控制方法包括下列步驟a.設(shè)定解耦控制算法控制單元A的動態(tài)增量化輸出表達(dá)式為Δud1(k)＝Δuc1(k)+(α2Δe2(k)+β2Δuc2(k))控制單元B的動態(tài)輸出表達(dá)式為Δud2(k)＝Δuc2(k)+(α1Δe1(k)+β1Δuc1(k))數(shù)學(xué)模型已知時，α1，α2，β1，β2可以容易求得；b.對于數(shù)學(xué)模型未知的情況，可以利用最小二乘法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法或在線進(jìn)行學(xué)習(xí)尋優(yōu)，其目標(biāo)值就是在調(diào)節(jié)一個控制回路時，保證另外一個控制回路的變化量為零，其步驟如下(1)保證兩個控制回路分別達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；(2)使控制單元A的控制模塊輸出保持不變；(3)多次改變控制單元B的給定值，在自動調(diào)節(jié)過程中可以利用優(yōu)化算法搜尋到α1，β1的最優(yōu)值；(4)重新使兩個控制回路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)；(5)同樣，使控制單元B的控制模塊輸出保持不變，多次改變控制單元A的給定值，通過尋優(yōu)學(xué)習(xí)得到α2，β2的最優(yōu)解。
本發(fā)明的采用一種嵌入式學(xué)習(xí)解耦控制方法的控制器，包括至少兩個控制單元41、輸入接口31、輸出接口32和通訊接口33(如附圖2、3所示)。
其中，a.硬件部分包括主機(jī)和外圍接口兩大部分
1)主機(jī)CPU采用32位，主頻70MHZ，ARM7系列芯片；采用SDRAM和FLASH閃存分別用作計算機(jī)內(nèi)存存儲器和存儲操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件及控制記憶體庫文件；采用外界提供電源方式。
2)外圍接口數(shù)據(jù)通訊接口提供標(biāo)準(zhǔn)的USB、VGA、RJ45、RS232、RS485及電源接口；模擬信號接口提供4～20mA電流輸入/輸出、1～5VDC電壓輸出入/輸出。
b.操作軟件包括操作系統(tǒng)、通訊軟件、WEB遠(yuǎn)程訪問軟件及輸入/輸出接口軟件，其中，1)操作系統(tǒng)采用具有與Windows應(yīng)用程序兼容的嵌入式操作系統(tǒng)，WinCE。
2)通訊軟件采用提供TCP/IP協(xié)議、RS232或485協(xié)議的支持軟件。
3)WEB遠(yuǎn)程訪問軟件用于完成遠(yuǎn)程訪問、通訊、操作功能。
4)輸入/輸出接口軟件用于完成模擬信號或數(shù)字信號的輸入/輸出。
本發(fā)明的一個實(shí)證例，選取一種恒溫恒液位系統(tǒng)作為仿真對象(如附圖6所示)。其中冷水和熱水分別通過調(diào)節(jié)閥v1和v2(均為線性閥)進(jìn)入儲罐，冷水和熱水混合后通過出水閥v3給下一環(huán)節(jié)提供恒溫恒壓用水。通過調(diào)節(jié)閥v1和v2，保持儲罐內(nèi)液位h和溫度t恒定。圖中，q1，q2，q3為體積流量；t1，t2為注入水的溫度；t3為出水的溫度。
根據(jù)陳國初，張琳，郝寧眉，恒溫恒液位系統(tǒng)的動態(tài)機(jī)理建模與仿真[J].《青島大學(xué)學(xué)報(工程技術(shù)版)》2003，18(2)46-50提供的該恒溫恒液位系統(tǒng)模型在穩(wěn)定附近的動態(tài)增量化模型Ad(ΔH)dt=K1ΔU1+K2ΔU2-K3ΔH2H0Ad(ΔH)dt=ΔH-H02[K1U10(T10-T0)+K2U20(T20-T0)]1H0K1ΔU1(T10-T0)+K1U10(ΔT1-ΔT)+K2ΔU2(T20-T0)+K2U0(ΔT2-ΔT)]]>其中，A為儲罐的橫截面積，且A＝5.0m2；k1、k2、k3分別為調(diào)節(jié)閥v1、v2、v3的線性系數(shù)，且k1＝k2＝k3＝100；u1、u2、u3是調(diào)節(jié)閥的控制量。當(dāng)用冷水閥或熱水閥調(diào)節(jié)液位時，會嚴(yán)重影響溫度的變化；同樣當(dāng)調(diào)整溫度時，也會導(dǎo)致液位劇烈變化。因此，這是一個典型的雙輸入雙輸出強(qiáng)耦合系統(tǒng)。在采樣時間Ts＝0.5s時，該系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)(如表1所示)附近的增量線性離散化模型為Δh(k+1)Δt(k+1)=0.9986000.9972Δh(k)Δt(k)+0.0027760.002776-0.0554870.055487Δu1(k)Δu2(k)]]>+000.001386960.00138696Δt1(k)Δt2(k)]]>表1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)


將附圖1的學(xué)習(xí)解耦控制系統(tǒng)用于控制對象，選擇控制單元A為液位控制器，控制單元B為溫度控制器；執(zhí)行器A為冷水調(diào)節(jié)閥，執(zhí)行器B為熱水調(diào)節(jié)閥。根據(jù)上述理論，可得，液位控制器的輸出表達(dá)式為Δud1(k)＝Δuc1(k)+Δuc2(k))，溫度控制器的輸出表達(dá)式為Δud2(k)＝Δuc2(k)-Δuc1(k))。控制單元A和控制單元B中的控制模塊均選取傳統(tǒng)的PID控制算法。
解耦控制方案和傳統(tǒng)非解耦控制方案的控制效果對比如附圖7和附圖8所示。附圖7為液位變化對溫度的影響，當(dāng)液位給定值在400秒和700秒發(fā)生階躍變化時，非解耦控制方案中，當(dāng)進(jìn)行液位調(diào)節(jié)時，溫度受之影響非常嚴(yán)重，而解耦控制方案中溫度則保持不變。
附圖8為溫度變化對液位的影響，同樣可以看出，當(dāng)溫度給定值在400秒和700秒發(fā)生階躍變化時，非解耦控制方案中液位受溫度影響非常嚴(yán)重，而解耦控制方案中液位則保持不變。
以上仿真結(jié)果表明解耦控制方案完全消除了耦合影響。
權(quán)利要求
1.一種嵌入式學(xué)習(xí)解耦控制方法，其特征在于包括下列步驟a.設(shè)定解耦控制算法控制單元A的動態(tài)增量化輸出表達(dá)式為Δud1(k)＝Δuc1(k)+(α2Δe2(k)+β2Δuc2(k))控制單元B的動態(tài)輸出表達(dá)式為Δud2(k)＝Δuc2(k)+(α1Δe1(k)+β1Δuc1(k))數(shù)學(xué)模型已知時，α1，α2，β1，β2可以容易求得；b.在數(shù)學(xué)模型未知的情況，利用最小二乘法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法或在線進(jìn)行學(xué)習(xí)尋優(yōu)，其步驟如下(1)保證兩個控制回路分別達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；(2)使控制單元A的控制模塊輸出保持不變；(3)多次改變控制單元B的給定值，在自動調(diào)節(jié)過程中利用優(yōu)化算法搜尋到α1，β1的最優(yōu)值；(4)重新使兩個控制回路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)；(5)同樣，使控制單元B的控制模塊輸出保持不變，多次改變控制單元A的給定值，通過尋優(yōu)學(xué)習(xí)得到α2，β2的最優(yōu)解。
2.采用如權(quán)利要求
1所述的一種嵌入式學(xué)習(xí)解耦控制方法的控制器，由控制單元(41)、輸入接口(31)、輸出接口(32)和通訊接口(33)組成，其特征在于控制器至少有兩個控制單元(41)，每一控制單元(41)對應(yīng)一個控制回路。
3.采用如權(quán)利要求
2所述的一種嵌入式學(xué)習(xí)解耦控制方法的控制器，其特征在于硬件部分包括主機(jī)和外圍接口兩大部分，其，1)主機(jī)CPU采用32位，主頻70MHZ，ARM7系列芯片；采用SDRAM和FLASH閃存分別用作計算機(jī)內(nèi)存存儲器和存儲操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件及控制記憶體庫文件；采用外界提供電源方式；2)外圍接口數(shù)據(jù)通訊接口提供標(biāo)準(zhǔn)的USB、VGA、RJ45、RS232、RS485及電源接口；模擬信號接口4～2mA電流輸入/輸出，1～5VDC電壓輸入/輸出。
4.采用如權(quán)利要求
3所述的一種嵌入式學(xué)習(xí)解耦控制方法的控制器，其特征在于軟件部分包括操作系統(tǒng)、通訊軟件、WEB遠(yuǎn)程訪問軟件及輸入/輸出接口軟件其中，1)操作系統(tǒng)采用具有與Windows應(yīng)用程序兼容的嵌入式操作系統(tǒng)，WinCE；2)通訊軟件采用提供TCP/IP協(xié)議、RS232或RS485協(xié)議的支持軟件；3)WEB遠(yuǎn)程訪問軟件用于完成遠(yuǎn)程訪問、通訊、操作功能；4)輸入/輸出接口軟件用于完成模擬信號或數(shù)字信號的輸入/輸出。
專利摘要
一種嵌入式學(xué)習(xí)解耦控制方法及其控制器，是為了消除兩個以上控制回路之間的耦合影響，在控制單元之間需相互通訊，并按照一定的解耦算法運(yùn)算處理，然后協(xié)調(diào)控制對應(yīng)的執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)控制變量的穩(wěn)定控制，并消除控制回路之間的相互耦合影響。學(xué)習(xí)解耦控制器，可包括兩個以上的控制單元、輸入接口、輸出接口和通訊接口等。其中每個控制單元對應(yīng)一個控制回路，每個控制單元由控制模塊、學(xué)習(xí)解耦分配模塊和信號輸出模塊等部分組成，控制單元之間相互通訊協(xié)調(diào)控制。仿真結(jié)果表明該解耦控制方案能夠?qū)崿F(xiàn)完全解耦，具有較好的控制性能，較強(qiáng)的適應(yīng)能力。
文檔編號G05B13/00GKCN1296785SQ200410089508
公開日2007年1月24日 申請日期2004年12月14日
發(fā)明者丁永生, 劉寶 申請人:東華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2),