专利名称：专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化系统的制作方法
技术领域：
本实用新型提出了一种专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化系统，可应用到控制、人工智能等领域。
背景技术：
目前，模拟控制主要以PID控制等经典控制方法为代表，也有一部分系统采用了模糊控制和神经网络控制等智能控制算法。这些针对确定被控对象、确定工作环境的控制方法被称为经典控制方法，而采用的具体算法被称成经典控制算法。经典控制算法在不同方面各有所长，但也存在着应用的局限性。经典控制算法存在着如下共性1.控制器参数的整定工作是在系统投入使用之前进行的。在开发阶段，工程师凭借经验和现场试验完成对控制器参数的整定，参数配置的完成往往伴随着项目的完成和交付而终结。因此，系统控制参数在实际运行中不会改变，即被控对象无法根据在运行过程中得到的环境信息调整和优化算法及算法参数。2.对于很多同样的调试单元，例如在一个项目中多路相同的被控对象，由于对象之间或多或少地存在差异，因此重复调试工作不可避免；特别对于带有延迟、滞后或大惯性的被控对象来说，针对每一个被控对象的调试时间都会消耗大量的时间，占用大量的人力物力。3.即使对于多路同样的调试单元，由于其工作环境有所差别，因此在系统运行前进行了分别的调试，系统运行后被控对象的工作环境有了变化，控制参数却不能随之改变， 使得控制效果变差，甚至误差增加，甚至导致系统不稳定。以PID控制器参数整定方法为例，现有的最好的在线整定优化算法是模糊自适应整定PID控制方法，该算法采用以PID参数初始值为中心点通过模糊控制对中心点进行修正的方法，实现PID控制器参数的在线整定优化。这种方法适用于那些工程中工程师可以对PID参数的初始值能够做出较为准确的估算的情况。但会受PID初始值的限制，如果控制回路差异大、工程师对参数整定的经验不足或者是控制器的最优参数超出模糊控制器的输出范围，该方法将无法实现对控制器参数的有效整定优化。
实用新型内容本实用新型的目的是找到一种方法，能够让控制系统的在运行前经过初步配置， 开始运行后系统能够根据系统运行后的加热炉和环境的差异，自动将控制参数调整到最佳值。本实用新型解决经典控制方法存在的三个问题1.物理结构相似的多个控制回路由于工作环境变化或存在差异，控制器参数无法根据工作环境的差异和不确定性，在线自整定优化；2.物理结构相似的多个控制回路由于被控对象存在差别，控制器参数无法根据被控对象的差异和不确定性，在线自整定优化；3.物理结构相似的多个控制回路需要反复进行控制参数整定，控制器参数无法自动完成这一重复的工作，在线自整定优化；为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案本实用新型中的专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化系统由控制单元 100、控制总线110和主工作站120三个部分组成。系统共有S个控制单元100，每个控制单元100的通讯接口均通过控制总线110与主工作站120相连接，主工作站120通过控制总线110与S个控制单元100进行通讯。其中S取值为大于等于1的整数。每个控制单元 100包括L个传感器101、N个变送器102、1个控制器103、L个执行单元104和L个被控对象105。其中每个变送器102连接M个传感器101，每个控制器103连接N个变送器102，其中L = MXN，L、M、N均为大于等于1的整数。本实用新型中的专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化系统，使用1个主工作站120，通过控制总线110控制S个控制单元100，实现对系统中的T个被控对象105的控制，其中T = LXS，S取值为大于等于1的整数。对于每个控制单元100，存在如下连接关系传感器101的感应端与被控对象105 的待测点连接，将待测点的待测信息转换成为模拟信号。传感器101的输出端与变送器102 的一个输入端相连，变送器102将传感器101采集的模拟信号转换成为标准化的待测信号。 变送器102的输出端与控制器103的一个输入端相连接，控制器103根据变送器102变送的标准化的待测信号计算得到控制量。控制器103的一个输出端与执行单元104的输入端相连。执行单元104根据控制器103给出的控制量，产生相应的控制输出。执行单元104 的输出与被控对象105的输入端相连，使得执行单元104产生的控制输出作用在被控对象 105 上。所述的控制器103可以为计算机、工控机、服务器、单片机系统、嵌入式系统或硬件电路。一种专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化系统进行优化的方法，该方法包括如下步骤系统配置步骤201 在系统运行前首先进行系统配置，配置系统中将要用到的参数和公式；系统初始化步骤202 将参与计算的变量赋值或清零；输入输出采样步骤203 得到被控对象当前时刻的采样值y(k)；误差计算步骤204 根据被控对象当前时刻的采样值y(k)与被控对象的目标值 r(k)计算出当前时刻的误差e(k)，其中e(k) =r(k)-y(k)；误差变化率计算步骤205 计算当前时刻的误差e(k)与前一时刻的误差e (k_l) 之间的误差变化率ec(k)，其中ec(k) = e(k)-e(k-l)；在线整定优化步骤206 根据当前时刻误差e (k)和误差变化率ec (k)整定优化计算出新的控制参数Kx (k)；计算控制量步骤207 根据当前误差e(k)、误差变化率ec(k)和新的控制参数 Kx (k)计算出新的控制量u (k)；被控对象运行步骤208 被控对象运行208根据控制量u(k)产生相应的模拟量 U(k)，作用在被控对象，得到控制对象新的输出y(k+l)；至此完成了一个控制周期，令k = k+Ι，重复输入输出采样步骤203至被控对象运行步骤208。[0025]系统配置步骤201为在系统启动运行前，主工作站120通过控制总线110对控制器103进行参数配置，系统配置201只需进行一次，配制好的参数保存在控制器103的存储器里，下次运行时能够直接读取，或修改参数配置；配置的参数包括被控对象的控制目标值 r(k)。输入输出采样步骤203具体为传感器101将被控对象105待测点的待测信息转换成为模拟信号a (k)，经过变送器102转换成为标准化的待测信号r(k)；变送器102将变送结果r(k)传给控制器103，控制器103通过控制总线110将r(k)传给主工作站120。本实用新型的创新点在于1.系统和装置设计方面，在主工作站和被控对象之间设计了较多的控制器，每个控制器分担较少的被控对象，这样的结构大大缩短了硬件维修的时间，当局部某硬件发生故障时，直接更换相应的模块即可快速修复故障，不必影响其他控制通路的工作；这种多控制器的技术方案，便于多种控制方法在同一个控制系统中的实验和应用。2.专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化方法，改变了传统控制方法的设计结构，通过增加优化器(主工作站120)，使得控制系统可以根据当前输入输出和工作状态对控制器参数进行在线整定优化。控制器根据当前的输入输出、工作状态和整定优化后的控制参数产生控制量，对被控对象进行控制。3.专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化方法，采用增量的方式在线整定优化控制器参数。这样的设计就避免了传统方法中存在的控制系统运行前控制参数对工程师经验的依赖问题，也就是说降低了工程师的参数初始配置要求；增量式方法的提出，使得专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化方法具有了自动寻找最优控制参数的功能。本实用新型与现有技术相比有如下优点1)本实用新型提出的专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化方法，提出了采用增量式修正的方法对控制参数进行整定，克服了中心点修正式参数在线整定优化方法无法解决的控制回路差异大、工程师对参数整定的经验不足或者是控制器的最优参数超出模糊控制器的输出范围的问题；2)本实用新型设计的专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化系统，实现了整个控制器参数调整优化的过程都是由算法自身实现的，在线参数优化整定的过程没有人的参与，控制系统能够根据自身硬件特点和工作环境自动整定调适参数。3)本实用新型提出的专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化方法，解决了物力结构相似的多个控制回路由于工作环境变化或存在差异，控制器参数无法根据工作环境的差异和不确定性在线自整定优化的问题；解决了物力结构相似的多个控制回路由于被控对象存在差别，控制器参数无法根据被控对象的差异和不确定性在线自整定优化的问题； 解决了物力结构相似的多个控制回路需要反复进行控制参数整定，控制器参数无法自动完成这一重复的工作在线自整定优化的问题。
图1专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化系统框图；图2(a)执行单元和被控对象实施例原理图；图2 (b)执行单元和被控对象实施例原理图；[0038]图3控制器实施例原理图；图4传感器和变送器实施例原理图；图5专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化方法流程图1。图6专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化方法流程图2。
具体实施方式
以下结合附图1 图6详细说明本实施例。本实用新型中的专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化系统由控制单元 100、控制总线110和主工作站120三个部分组成。系统共有S个控制单元100构成，每个控制单元100的通讯接口与控制总线110相连接，主工作站120的通讯接口也与控制总线110相连接，主工作站120通过控制总线110 与S个控制单元100进行通讯。其中s取值为大于等于1的整数。每个控制单元由L个传感器101、N个变送器102、1个控制器103、L个执行单元 104和L个被控对象105构成。其中传感器和执行单元分别与被控对象一一对应连接，1个变送器102接M个传感器101，1个控制器103接N个变送器102，其中L = MXN，L个执行单元均与控制器103相连。其中L、M、N取值为大于等于1的整数。专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化系统，使用1个主工作站120，通过控制总线110控制S个控制单元100，实现对系统中的T个被控对象105的控制，其中T = LXS，其中S取值为大于等于1的整数。对于每一个被控对象105回路，存在如下连接关系传感器101的感应端与被控对象105的待测点连接，将待测点的待测信息转换成为模拟信号。传感器101输出端与变送器102的一个输入端相连，变送器102将传感器101 采集的模拟信号转换成为标准化的待测信号。变送器102的输出端与控制器103的一个输入端相连接，控制器103根据变送器102变送的标准化的待测信号，采用专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化方法得到新的控制量。控制器103的一个输出端与执行单元104 的输入端相连，执行单元104根据控制器103给出的控制量，产生相应的控制输出。执行单元104的输出端与被控对象105的输入相连，使得执行单元104产生的控制输出作用在被控对象105上。控制器103可以是计算机、工控机、服务器、单片机系统、嵌入式系统或硬件电路。 控制器可以进行数据输入、指令输入，根据输入的参数改变系统的工作状态，可以将当前的系统的工作参数、工作状态进行显示，可以通过通讯端口与数据总线连接，与主工作站进行通讯和数据交换。执行单元104由主回路保护装置、被控对象异常保护装置、控制执行装置、主回路监控装置和被控对象(负载)接入装置五部分组成，这五部分依次串联构成主回路。专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化方法，由系统配置步骤201、系统初始化步骤202、输入输出采样步骤203、误差计算步骤204、误差变化率计算步骤205、在线整定优化步骤206、计算控制量步骤207、被控对象运行步骤208八个步骤构成。这八个步骤的关系是在系统运行前首先进行系统配置步骤201，配置系统中将要用到的参数和公式；然后进行系统初始化步骤202，将参与计算的变量赋值或清零；接下来循环执行下列步骤，每执行ー个循环即完成了一个控制周期输入输出采样步骤203得 到当前时刻的输出y(k)；误差计算步骤204根据系统配置的r(k)和采样得到的y(k)计算 出当前误差e(k)；误差变化率计算步骤205根据当前误差e(k)计算出误差变化率ec (k)； 在线整定优化步骤206根据当前误差e(k)和误差变化率ec(k)整定优化计算出新的控制 參数Kx(k)；计算控制量步骤207根据当前误差e(k)、误差变化率ec(k)和新的控制參数 Kx(k)计算出新的控制量u(k)；被控对象运行步骤208根据控制量u(k)产生相应的模拟量 U(k)，作用在被控对象，得到控制系统新的输出y(k+l)；至此完成了一个控制周期，令k = k+1，重复步骤输入输出采样步骤203至被控对象运行步骤208。详细步骤如下5. 1系统配置步骤201在系统启动运行前，主工作站120通过控制总线110对控制器103进行參数配置， 參数配置也可以通过控制器103的键盘和显示装置进行，系统配置201只需进行一次，配制 好的參数保存在控制器103的存储器里，下次运行时可以直接读取，可以修改參数配置。配置控制目标值TR，配置控制參数初始值K0X，其中X表示參数的编号或含义，配 置专家模糊増量式自适应的參数在线整定优化规则公式1
权利要求1.一种专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化系统，其特征在于由控制单元 (100)、控制总线(110)和主工作站(120)三个部分组成；系统共有S个控制单元(100)，每个控制单元(100)的通讯接口均通过控制总线(110)与主工作站(120)相连接，主工作站 (120)通过控制总线(110)与S个控制单元(100)进行通讯；其中S取值为大于等于1的整数；每个控制单元100包括L个传感器(101)、N个变送器(102)、1个控制器(103)、L个执行单元(104)和L个被控对象(105)；传感器和执行单元分别与被控对象一一对应连接， 其中1个变送器(102)接M个传感器(101)，1个控制器(103)接N个变送器(102)，其中L = MXN, L、M、N均为大于等于1的整数；主工作站(120)通过控制总线(110)对S个控制单元(100)的共T个被控对象(105) 进行控制，其中T = LX S，S取值为大于等于1的整数。
2.根据权利要求1所述的一种专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化系统，其特征在于对于所述每个控制单元(100)，存在如下连接关系传感器(101)的感应端与被控对象(105)的待测点连接，将待测点的待测信息转换成模拟信号；传感器(101)的输出端与变送器(102)的一个输入端相连，变送器(102)将传感器(101)采集的模拟信号转换成为标准化的待测信号；变送器(102)的输出端与控制器 (103)的一个输入端相连接，控制器(103)根据变送器(102)变送的标准化的待测信号计算得到控制量；控制器(103)的一个输出端与执行单元(104)的输入端相连，执行单元(104) 根据控制器(103)给出的控制量，产生相应的控制输出；执行单元(104)的输出与被控对象 (105)的输入端相连，使得执行单元(104)产生的控制输出作用在被控对象(105)上。
3.根据权利要求1所述的一种专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化系统，其特征在于所述的控制器(103)为计算机、工控机、服务器、单片机系统或嵌入式系统。
专利摘要本实用新型是一种专家模糊增量式自适应的参数在线整定优化系统，可应用控制、人工智能等领域。该系统包括控制单元、控制总线和主工作站。系统有S个控制单元，每个控制单元的通讯接口均通过控制总线与主工作站相连接，主工作站通过控制总线与S个控制单元进行通讯。本实用新型解决了物力结构相似的多个控制回路由于工作环境变化或存在差异，控制器参数无法根据工作环境的差异和不确定性，无法根据被控对象的差异和不确定性，无法自动完成这一重复的工作在线自整定优化的问题。
文档编号G05B13/02GK202067099SQ20112002001
公开日2011年12月7日 申请日期2011年1月21日 优先权日2011年1月21日
发明者刘经纬, 杨蕾, 王普 申请人:北京工业大学