专利名称：：嵌入式学习解耦控制器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及自动控制
技术领域：
，具体指一种运用学习解耦算法的嵌入式控制器。
背景技术：
：在现代工业复杂生产过程中，为了提高控制质量，一个生产装置需要设计多个控制回路。在实际生产过程中，各个控制回路之间常常会发生相互耦合，导致被控工艺参数相互影响，严重影响生产和产品质量的稳定，因此消除这种耦合控制影响已成为工业过程控制技术的一大难题。众所周知，传统解耦控制的思想，主要是基于系统数学模型或工艺机理，进行控制补偿，从而减少或消除耦合影响，其解耦控制方法主要有提出的对角线矩阵综合法、单位矩阵综合法、前馈补偿综合法和极点配置法等。从20世纪90年代初起，随着智能控制技术的发展，出现了多种智能解耦控制技术，如模糊解耦控制技术、神经网络解耦控制技术、自适应解耦控制技术及遗传算法解耦控制技术等，但这些解耦控制技术方法均比较复杂或实现难度较大，甚至解耦效果不理想。
发明内容本发明的目的在于以一种比较简单的方法，解决在多个控制回路场合存在各个控制回路之间发生相互耦合的问题，而提出的一种学习解耦控制方案，并给出了具体的解耦控制算法。关于本发明提出的一种解耦控制方案一、解耦控制系统结构假设对一个双输入双输出线性耦合系统x′1=a11x1+a12x2+b11u1+b12u2x′2=a21x1+a22x2+b21u1+b22u2]]>其中，x1，x2是工艺状态变量，也是输出变量；u1，u2是输入变量，也是传统非解耦的控制信号；aij，bij(i＝1，2；j＝1，2)是线性系数。附图1所示是学习解耦控制器组成的的控制系统结构。根据上述原理为了消除两个控制回路之间的耦合影响，控制单元A和控制单元B需要相互通讯，按照一定的解耦算法运算处理，然后协调控制执行器A和执行器B，从而实现控制变量的稳定控制，并消除控制回路相互之间的耦合影响。二、解耦控制算法对于工业生产过程中的大多数两个控制回路之间存在耦合的控制对象，其数学模型均可以用一个双输入双输出线性控制对象表示。该数学模型可以表示为x′1=a11x1+a12x2+b11u1+b12u2x′2=a21x1+a22x2+b21u1+b22u2----(1)]]>其中，x1，x2是状态变量，也是输出变量；u1，u2是输入变量，也是传统非解耦的控制信号；aij，bij(i＝1，2；j＝1，2)是线性系数。设控制单元A的控制模块A和控制单元B的控制模块B输出信号分别为uc1和uc2；控制单元A分配给自身和控制单元B的信号分别为u11和u12，控制单元B分配给自身和控制单元A的信号分别为u22和u21，则控制单元A的输出信号u1＝u11+u21，控制单元B的输出信号u2＝u22+u12。下面以控制单元A为例，介绍其解耦控制算法。为了实现在调节x1时保持x2稳定不变，应该使式(1)中第二个方程的右边项等于零x′2＝a21x1+a22x2+b21u1+b22u2＝0(2)因为x2稳定不变，所以a22x2可以视为常量，并且此时控制单元B的输出不变。因此有a21x1+b21(u11+u21)+b22(u22+u12)＝-a22x2＝C(3)其中，C为一常量。在调节x1过程中，只要确保(3)式左边项不变，即可消除对x2产生的耦合影响。因此有a21Δx1+b21(Δu11+Δu21)+b22(Δu22+Δu12)＝0(4)因为Δu22＝Δu21＝0，所以有a21Δx1+b21Δu11+b22Δu12＝0(5)其中，Δx1，Δu11，Δu12分别是x1，u11，u12的动态变化量。这就是在调节x1时对x2的解耦条件，也是控制器A的控制模块A动态变化值Δuc1的分配准则。由(5)式推得Δu12Δu12=-1b22(a21Δx1+b21Δu11)]]>因为，Δx1＝Δe1(k)＝e1(k)-e1(k-1)(其中k是计算次数)；令Δu11＝Δuc1，因此有Δu12(k)=-1b22(a21Δe1(k)+b21Δuc1(k))---(6)]]>令α1=-a21b22,β1=-b21b22,]]>则有Δu12(k)＝α1Δe1(k)+β1Δuc1(k)(7)同理，可得到调节x2时对x1的解耦条件，即控制单元B的控制模块B动态变化值Δu2的分配关系a12Δx2+b11Δu21+b12Δu22＝0同样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,]]>则有Δu21(k)＝α2Δe2(k)+β2Δuc2(k)(9)于是，控制单元A的动态增量化输出表达式为Δu1(k)＝Δuc1(k)+(α2Δe2(k)+β2Δuc2(k))(10)控制单元B的动态输出表达式为Δu2(k)＝Δuc2(k)+(α1Δe1(k)+β1Δuc1(k))(11)由(10)、(11)式可以得知，对于数学模型已知时，α1，α2，β1，β2可以容易求得。对于数学模型未知的情况，可以利用最小二乘法或神经网络或其它方法在线进行学习寻优，其目标值就是在调节一个控制回路时，保证另外其它控制回路的工艺变量变化量为零。图1为学习解耦控制系统结构图；图2为本发明整机系统框图；图3为本发明控制单元结构框图；图4为本发明硬件原理框图；图5为本发明软件原理图；图6为本发明一个实施例恒温恒液位系统图；图7、8为本发明仿真效果图。附图中标号说明1给定值A；2解耦控制器；3控制偏差A；4输入信号A；5控制模块A；6控制模块A的输出信号uc1；7控制单元A；8学习解耦分配模块A；9学习解耦分配模块A分配给信号输出模块A的控制信号u11；10学习解耦分配模块B分配给信号输出模块A的控制信号u21；11信号输出模块A；12控制单元A的控制输出信号u1；13执行器A；14传感器A；15工艺对象；16工艺变量x1；17给定值B；18控制偏差B；19输入信号B；20控制模块B；21控制模块B的输出信号uc2；22控制单元B；23学习解耦分配模块B；24学习解耦分配模块B分配给信号输出模块B的控制信号u22；25学习解耦分配模块A分配给信号输出模块B的控制信号u12；26信号输出模块B；27控制单元B的控制输出信号u2；28执行器B；29传感器B；30工艺变量x2；31输入接口；32输出接口；33通讯接口；34控制单元输入信号；35控制模块；36控制模块输出信号uc；37学习解耦分配模块；38学习解耦分配模块分配给所属控制单元信号输出模块的控制信号；39信号输出模块；40控制单元控制输出信号u；41控制单元；42分配至其它控制单元的控制信号；43其它控制单元分配来的控制信号；44输入信号；45CPU；46输出信号；47SDRAM存储器；48FLASH闪存。具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步的描述假设，为了消除两个A、B控制回路之间的耦合影响，则控制单元A和控制单元B需相互通讯，按照一定的解耦算法运算处理，然后协调控制执行器A和执行器B，从而实现控制变量的稳定控制，并消除控制回路相互之间的耦合影响。本发明的一种嵌入式学习解耦控制器，包括至少两个控制单元41、输入接口31、输出接口32和通讯接口33等(如附图2、3所示)。其中每个控制单元41对应一个控制回路。每个控制单元41由控制模块35、学习解耦分配模块37和信号输出模块39等组成，两个控制单元相互通讯协调控制。仿真结果表明该解耦控制方案能够实现完全解耦，具有较好的控制性能和较强的适应能力。其中，每个控制单元对应一个控制回路。每个控制单元41由控制模块35、学习解耦分配模块37和信号输出模块39等组成，两个控制单元相互通讯协调控制，并按照一定的解耦算法运算处理，然后协调控制执行器A和执行器B，从而实现控制变量的稳定控制，并消除控制回路相互之间的耦合影响。本发明的一种嵌入式学习解耦控制器，其控制方法包括下列步骤a.设定解耦控制算法控制单元A的动态增量化输出表达式为Δud1(k)＝Δuc1(k)+(α2Δe2(k)+β2Δuc2(k))控制单元B的动态输出表达式为Δud2(k)＝Δuc2(k)+(α1Δe1(k)+β1Δuc1(k))数学模型已知时，α1，α2，β1，β2可以容易求得；b.对于数学模型未知的情况，可以利用最小二乘法或神经网络或其它方法在线进行学习寻优，其目标值就是在调节一个控制回路时，保证另外一个控制回路的变化量为零，其步骤如下(1)保证两个控制回路分别达到稳定状态；(2)使控制单元A的控制模块输出保持不变；(3)多次改变控制单元B的给定值，在自动调节过程中可以利用优化算法搜寻到α1，β1的最优值；(4)重新使两个控制回路恢复到稳定状态；(5)同样，使控制单元B的控制模块输出保持不变，多次改变控制单元A的给定值，通过寻优学习得到α2，β2的最优解。本发明的一种嵌入式学习解耦控制器，包括至少两个控制单元41、输入接口31、输出接口32和通讯接口33等(如附图2、3所示)。其中，a.硬件部分主要包括主机和外围接口两大部分1)主机CPU可采用32位，主频70MHZ左右，如ARM7系列芯片等；采用SDRAM和FLASH闪存分别用作计算机内存存储器和存储操作系统、应用软件及控制记忆体库文件；采用外界提供电源方式。2)外围接口数据通讯接口主要提供标准的USB、VGA、RJ45、RS232、RS485及电源接口等；模拟信号接口主要提供4～20mA电流输入/输出、1～5VDC电压输入/输出等。b.操作软件包括操作系统、通讯软件、WEB远程访问软件及输入/输出接口软件，其中，1)操作系统采用比较流行的具有与Windows应用程序兼容的嵌入式操作系统，如WinCE等。2)通讯软件采用提供TCP/IP协议、RS232或485协议的支持软件。3)WEB远程访问软件用于完成远程访问、通讯、操作等功能。4)输入/输出接口软件用于完成模拟信号或数字信号的输入/输出。本发明的一个实证例，选取一种恒温恒液位系统作为仿真对象(如附图6所示)。其中冷水和热水分别通过调节阀v1和v2(均为线性阀)进入储罐，冷水和热水混合后通过出水阀v3给下一环节提供恒温恒压用水。通过调节阀v1和v2，保持储罐内液位h和温度t恒定。图中，q1，q2，q3为体积流量；t1，t2为注入水的温度；t3为出水的温度。根据陈国初，张琳，郝宁眉.恒温恒液位系统的动态机理建模与仿真[J].《青岛大学学报(工程技术版)》，2003，18(2)46-50提供的该恒温恒液位系统模型在稳定点附近的动态增量化模型其中，A为储罐的横截面积，且A＝5.0m2；k1、k2、k3分别为调节阀v1、v2、v3的线性系数，且k1＝k2＝k3＝100；u1、u2、u3是调节阀的控制量。当用冷水阀或热水阀调节液位时，会严重影响温度的变化；同样当调整温度时，也会导致液位剧烈变化。因此，这是一个典型的双输入双输出强耦合系统。在采样时间Ts＝0.5s时，该系统在稳态点(如表1所示)附近的增量线性离散化模型为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系统稳态工作点参数<tablesid="table1"num="001"><tablewidth="798">参数稳态工作点t10t20t0h0u10u20Q10Q20Q30(℃)(℃)(℃)(m)(％)(％)(m3/h)(m3/h)(m3/h)数值40.080.060.01.00.50.550.050.0100.0</table></tables>将附图1的学习解耦控制器用于该控制对象，选择控制单元A为液位控制器，控制单元B为温度控制器；执行器A为冷水调节阀，执行器B为热水调节阀。根据上述理论，可得液位控制器的输出表达式为Δud1(k)＝Δuc1(k)+Δuc2(k))，温度控制器的输出表达式为Δud2(k)＝Δuc2(k)-Δuc1(k))。控制单元A和控制单元B中的控制模块均选取传统的PID控制算法。解耦控制方案和传统非解耦控制方案的控制效果对比如附图7和附图8所示。附图7为液位变化对温度的影响，当液位给定值在400秒和700秒发生阶跃变化时，非解耦控制方案中，当进行液位调节时，温度受之影响非常严重，而解耦控制方案中温度则保持不变。附图8为温度变化对液位的影响，同样可以看出，当温度给定值在400秒和700秒发生阶跃变化时，非解耦控制方案中液位受温度影响非常严重，而解耦控制方案中液位则保持不变。以上仿真结果表明解耦控制方案完全消除了耦合影响。权利要求1.一种嵌入式学习解耦控制器的控制方法，其特征在于包括下列步骤a.设定解耦控制算法控制单元A的动态增量化输出表达式为Δud1(k)＝Δuc1(k)+(α2Δe2(k)+β2Δuc2(k))控制单元B的动态输出表达式为Δud2(k)＝Δuc2(k)+(α1Δe1(k)+β1Δuc1(k))数学模型已知时，α1，α2，β1，β2可以容易求得；b.在数学模型未知的情况，利用最小二乘法或神经网络或其它方法在线进行学习寻优，其步骤如下(1)保证两个控制回路分别达到稳定状态；(2)使控制单元A的控制模块输出保持不变；(3)多次改变控制单元B的给定值，在自动调节过程中可以利用优化算法搜寻到α1，β1的最优值；(4)重新使两个控制回路恢复到稳定状态；(5)同样，使控制单元B的控制模块输出保持不变，多次改变控制单元A的给定值，通过寻优学习得到α2，β2的最优解。2.如权利要求1所述的嵌入式学习解耦控制器，由控制单元(41)、输入接口(31)、输出接口(32)和通讯接口(33)等组成，其特征在于控制器至少有两个控制单元(41)，每一控制单元(41)对应一个控制回路。3.如权利要求2所述的嵌入式学习解耦控制器，其特征在于每个控制单元(41)由控制模块(35)、学习解耦分配模块(37)和信号输出模块(39)等组成，控制单元(41)相互通讯连接，按照一定的解耦算法运算处理，并控制对应的执行器。4.如权利要求3所述的嵌入式学习解耦控制器，其特征在于硬件部分主要包括主机和外围接口两大部分，其，1)主机CPU可采用32位，主频70MHZ左右，如ARM7系列芯片等；采用SDRAM和FLASH闪存分别用作计算机内存存储器和存储操作系统、应用软件及控制记忆体库文件；采用外界提供电源方式；2)外围接口数据通讯接口主要提供标准的USB、VGA、RJ45、R5232、RS485及电源接口等；模拟信号接口4～20mA电流输入/输出，1～5VDC电压输入/输出等；5.如权利要求4所述的嵌入式学习解耦控制器，其特征在于软件部分主要包括操作系统、通讯软件、WEB远程访问软件及输入/输出接口软件；其中，1)操作系统采用比较流行的具有与Windows应用程序兼容的嵌入式操作系统，如WinCE等；2)通讯软件采用提供TCP/IP协议、RS232或485协议的支持软件；3)WEB远程访问软件用于完成远程访问、通讯、操作等功能；4)输入/输出接口软件用于完成模拟信号或数字信号的输入/输出。全文摘要一种嵌入式学习解耦控制器，是为了消除两个以上控制回路之间的耦合影响，在控制单元之间需相互通讯，并按照一定的解耦算法运算处理，然后协调控制对应的执行器，从而实现控制变量的稳定控制，并消除控制回路之间的相互耦合影响。学习解耦控制器，可包括两个以上的控制单元、输入接口、输出接口和通讯接口等。其中每个控制单元对应一个控制回路，每个控制单元由控制模块、学习解耦分配模块和信号输出模块等部分组成，控制单元之间相互通讯协调控制。仿真结果表明该解耦控制方案能够实现完全解耦，具有较好的控制性能，较强的适应能力。文档编号G05B13/00GK1621979SQ200410089508公开日2005年6月1日申请日期2004年12月14日优先权日2004年12月14日发明者丁永生,刘宝申请人:东华大学