专利名称：一种大时滞系统的灰色无模型控制方法
技术领域：
本发明涉及一种大时滞系统控制方法，特别涉及一种大时滞系统的灰色无模型控 制方法。
背景技术：
大时滞过程的控制问题是控制理论和实践研究的一个热点问题。大时滞现象的存 在使得系统当前施加的控制作用经过一段时间才会在输出反映出来，系统控制部分不能及 时得到控制作用的反馈信息，等到控制效果能通过输出测量体现时，此时控制作用的强度 往往己过头。因此，大时滞的存在使得系统超调量增大、稳定性变差、调节时间加长，严重 影响了系统的控制品质。一般认为对象的纯滞后时间τ与时间常数r的比值r/r > 0.5 时就属于大时滞过程。实践表明，目前广泛应用的PID调节器对复杂大时滞过程很难达 到良好的控制性能。对于γ/Γ > 1的系统，用PID调节器实现稳定控制几乎不可能。大 时滞过程是较难控制的过程，其控制难度随着γ/Γ比值的增加而增加。由此出现了许多专 门控制大时滞过程的各种特殊控制器，但它们均还存在一些问题。如基于Smith预估的控 制或内模控制需要知道负荷对象的精确模型；采样控制实际上是一种特殊的PID控制，还 存在PID控制缺点；预测控制的方法需要求解复杂的Diophantine方程，计算量很大，且仅 适用于线性或特殊的弱非线性对象；模糊控制和专家控制都过度依赖于模糊规则表或专家 经验，存在稳态误差、自适应能力差，缺乏对大时滞系统的控制能力；PID控制与其它控制 结合的集成控制方法实质上还是特殊的PID控制，仅适合于弱非线性对象；灰色系统模型 具有原理简单、需要样本少、计算方便等特点，灰色PID控制是在传统PID控制中加入灰色 模型预测的控制方法，它利用灰色模型的超前预测功能对提前预测出系统变化的趋势，并 采取PID控制措施，可在一定范围内克服系统时滞的影响，但还存在PID控制的缺点；无模 型自适应控制律(简称无模型控制或MFAC)既是参数自适应，又是结构自适应，它无需受控 系统的数学模型，解决了未建模动态、对被控对象数学模型的依赖两个重要问题，可用于解 决非线性、大时滞、强干扰、时变的复杂系统的控制问题，但对于时滞变化的系统，MFAC方法 难以得到很好的应用效果。由于这些控制器均存在各自的缺陷，因此，在实际中还难以有效 地应用。另外，工业过程不可避免的存在系统时变的问题，这更加大了大时滞系统的控制难 度。因此，对具有时变和大时滞的特性对象的控制研究具有重要的理论意义和实际意义。
发明内容
本发明是针对大时滞系统的控制难度高的问题，提出了一种大时滞系统的灰色无 模型控制方法，把灰色预测模型与无模型控制结合起来，采用在无模型控制中加入灰色预 测模型的控制方法来实现复杂对象进行控制，实现大时滞系统的灰色无模型控制。本发明的技术方案为一种大时滞系统的灰色无模型控制方法，在无模型自适应 控制的反馈回路中添加一个灰色预测模型GM(1，1)，用灰色超前预测补偿系统时滞，形成新 的控制规律作用在被控对象上，方法包括如下具体步骤
3A 无模型控制器MFAC由基于泛模型的估计算法
$Hk-i)+⑷—fa—1) Au(k~Tf)和捽制律
1才仆 工巾J1平
u(k)=u(k-i)+~ -(y (k+i)-y(k + W在线交互进行而组成的，当经过系统的I/O
数据辨识估计出特征参量乡Ct)后，即可应用控制律把系统进行反馈控制，控制的结果将 得到一组新的观测数据，在已有的数据中添加这一组新的数据，在估计下一时刻的特征参 量#伏+ 1),式中步长序列/^，he (0, 2)；权重因子2，" e
-’ ε取10_5的 很小正数；
B 建立 GM(1，1)预测投吧为 >'(0) (k + Ai) = [yf0) (k) - u / a ] exp(- rzM)(I - exp(-a)),
/^幻二至/^从=,式中建模维数取 =4 6 ；预测步数取为1=5 30 ；a、u 1-1
分别为发展系数、灰色作用量，利用GM(1，1)预测模型预测的值，只要改变预测步数 #的值，就可实现#步的提前预测；
C 对系统输出进行采样获得系统运行数据，利用数据建立GM(1，1)预测模型； D 用灰色预测模型GM(1，1)预测系统输出作为反馈值反馈到输入端； E 利用输入值与灰色预测反馈值获得系统偏差输入到无模型控制器； F 无模型控制器根据偏差与相关参数建立泛模型； G 控制器利用泛模型计算控制器输出。
本发明的有益效果在于本发明大时滞系统的灰色无模型控制方法，把灰色预测 模型与无模型控制结合起来，能有效控制大时滞，系统超调小，较快稳定并具有较强的自适 应性与鲁棒性能，可应用于工业复杂大时滞控制过程中。
图1为本发明灰色无模型控制的系统结构图； 图2为本发明灰色预测模型建模图； 图3为本发明无模型控制器结构图； 图4为本发明实施例球磨机负荷测控系统的原理框图； 图5为本发明实施例球磨机负荷控制系统的控制算法框图； 图6为本发明实施例球磨机负荷控制系统的单位阶跃响应曲线图； 图7为本发明实施例球磨机负荷控制系统纯滞后时间t变为50s的单位阶跃响应曲线
图8为本发明实施例球磨机负荷控制系统增益f变为0. 5的单位阶跃响应曲线图； 图9为本发明实施例球磨机负荷控制系统增益f与纯滞后时间t同时变化的单位阶跃 响应曲线图10为本发明实施例球磨机负荷控制系统两种控制方法的单位阶跃响应曲线图。
具体实施例方式如图1所示灰色无模型控制的系统结构图，在无模型自适应控制的反馈回路中添 加一个灰色预测模型GM(1，1)，用灰色超前预测补偿系统时滞并处理参数时变等原因造成 的系统不确定性，从而形成新的控制律作用在被控对象上，进而改善无模型自适应控制的 控制效果，达到有效控制复杂对象的目的。基于灰色无模型控制是将无模型控制和灰色理论结合起来克服系统不确定性和 系统延时等问题。它是在无模型控制的反馈回路中添加一个灰色预测模型GM(1，1)，用于超 前预测补偿由于系统延时及参数时变等原因造成的系统不确定性，形成新的控制律作用在 大时滞对象上，从而改善无模型控制的控制效果，达到有效控制对象复杂特性的目的。灰色 无模型控制的系统结构如图1所示。图中灰色预测模块的作用就是把系统的输出_7(幻读入 (记作(幻)，根据灰色预测GM(1，1)模型算法计算，预测^#时刻的系统输出、k+M)， 并以此代替左时刻的⑷与设定值r⑷比较，产生的系统偏差e(幻=r⑷_
作为无模型控制器的输入，无模型控制器输出《(幻就是被控对象的输入《(幻。如图2所示灰色预测的建模过程首先将系统行为数据进行采样获得采样信息， 然后按新陈代谢原理建立GM(1，1)灰色预测模型，接着用所建的模型预测系统行为，最后 将预测值与给定值进行比较，从而确定系统的超前控制值。灰色预测控制过程是数据不断 采集、模型不断建立、模型参数不断更新的过程，其控制机理是利用模型更新来适应环境变 化，达到所需的控制精度。灰色预测控制由于不必追究输入量的成分与性质，只需采集系 统输出的数据建立模型，而用于建模的数据可以少到4个数据。因此，控制过程不必过滤噪 音，抗干扰性强，结构简单，单变量与多变量兼容。灰色预测控制是一种将控制理论和灰色系统理论相结合的新型控制方法，它通过 系统行为数据系列的提取寻求系统发展规律，从而按规律预测系统未来的行为，并根据系 统未来的行为趋势确定相应的控制决策进行预测控制，这样可以做到防患于未然和及时控 制。灰色预测具有提前预测、需要信息少、计算简单、鲁棒性好等特点，它只要在线检测对象 的I/O数据，不需要复杂的辨识过程和对象的精确模型，目前被广泛应用于工业过程控制 领域。灰色模型是由一组灰色微分方程组成的动态模型，记为gm(/7，A)，其中/7、力分别为 微分方程的阶数、变量个数。灰色预测控制中的典型灰色模型是GM(1，1)模型，由一个单变 量一阶微分方程构成。GM(1, 1)模型假设原始序列为Ps = C^(I)ZiO),..产_} fe为建模维数)，它是一 组信息不完全的灰色量，具有很大的随机性。对Γ4进行一次累加生成操作，得到序列为
权利要求
一种大时滞系统的灰色无模型控制方法，其特征在于，在无模型自适应控制的反馈回路中添加一个灰色预测模型GM(1,1)，用灰色超前预测补偿系统时滞，形成新的控制规律作用在被控对象上，方法包括如下具体步骤A无模型控制器MFAC由基于泛模型的估计算法和控制律在线交互进行而组成的，当经过系统的I/O数据辨识估计出特征参量后，即可应用控制律把系统进行反馈控制，控制的结果将得到一组新的观测数据，在已有的数据中添加这一组新的数据，在估计下一时刻的特征参量，式中步长序列ρk，ηk∈(0,2)；权重因子λ，μ∈
；ε取10 5的很小正数；B建立GM(1,1)预测模型为，，式中建模维数取m=4～6；预测步数取为M=5～30；a、u分别为发展系数、灰色作用量，利用GM(1,1)预测模型预测y(k+M)的值，只要改变预测步数M的值，就可实现M步的提前预测；C对系统输出进行采样获得系统运行数据，利用数据建立GM(1,1)预测模型；D用灰色预测模型GM(1,1)预测系统输出作为反馈值反馈到输入端；E利用输入值与灰色预测反馈值获得系统偏差输入到无模型控制器；F无模型控制器根据偏差与相关参数建立泛模型；G控制器利用泛模型计算控制器输出。2010102918058100001dest_path_image001.jpg,485928dest_path_image002.jpg,2010102918058100001dest_path_image003.jpg,319892dest_path_image004.jpg,2010102918058100001dest_path_image005.jpg,145896dest_path_image006.jpg
全文摘要
本发明涉及一种大时滞系统的灰色无模型控制方法，把灰色预测模型与无模型控制结合起来，采用在无模型控制中加入灰色预测模型的控制方法来实现复杂对象进行控制，实现大时滞系统的灰色无模型控制，能有效控制大时滞，系统超调小，较快稳定并具有较强的自适应性与鲁棒性能，可应用于工业复杂大时滞控制过程中。
文档编号G05B13/04GK101957598SQ20101029180
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月26日 优先权日2010年9月26日
发明者汪明媚, 王映斐, 程启明, 程尹曼 申请人:上海电力学院