一种液位仪用自适应控制算法的制作方法与工艺

本发明涉及液位仪控制技术领域，具体涉及到使用液位变送器、流量计、调节阀的液位仪用自适应控制算法，特别是雅克比矩阵的离散化计算方法，并给出清晰的参数整定规则。

背景技术：
通常配套液位变送器、流量计、调节阀的液位控制仪表在过程控制有着广泛的应用，常规的串级控制方法，通过引入流量计，通过控制内环实现流量扰动的控制，外环实现液位控制。单纯的人工调节即可保证液位控制的准确性，并且抗扰性性能良好，但是在响应的快速性方面有所欠缺，参数难调。优化的设计方法需要结合液位控制对象传递函数将内环设计成I型系统，外环设计成II型系统，并根据I型系统动态跟随性能指标与参数的关系及II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系，设置PID参数，通过此方式可获得较好的控制性能。但缺点也是显然的，即需要获取对象的传递函数。并且，当过程对象传递函数发生改变时，没有专业知识的现场人员整定参数困难。专利号为99810273.3的中国专利提出了一种利用神经网络和梯度下降法设计了一种无模型自适应控制方法，拥有这个专利的博软公司宣称它是世界上首套通用型先进控制仪表，几乎不需要参数调整。但是它还存在如下不足，梯度下降法的收敛速度较慢；权值限幅设置在复杂性方面，并不亚于PID算法，如果参数设置不当，等同于位置式PID算法，这种开关控制的结果容易引起调节阀大幅度动作，液位控制曲线振荡，而且会造成调节阀寿命短维修费用高；激活函数采用通用的，在大多数场合都存在映射问题；过程灵敏度与学习率的设置也较为复杂，但学习率设置正确的话，即使编程出差也能达到较好的控制效果。值得肯定的是，该专利用于位置式PID控制可以适用的场合效果不错，因为不需要做权值限幅。公开号为CN1121196的中国专利也是一种无模型自适应控制技术，在复杂、大迟滞、高度非线性系统方面有过不少成功的应用。但应用在液位控制这样的系统，需要采用全格式的线性化方程，对控制频率要求较高。

技术实现要素：
本发明综合现场液位控制的需求、增量式PID的实质及算法的计算复杂度，设计了一种液位仪用自适应控制算法，它可实现精确液位控制，可在保证液位控制品质的同时达到减小调节阀的调节次数以延长设备使用寿命、省却流量传感器以降低控制成本的目的。本发明提供了一种液位仪用自适应控制算法，所述算法包括：首先设定为第k时刻的偏差向量，其中，用于消除静差，为当前给定液位与反馈液位的偏差，为前n时刻的历史偏差；为第k时刻的权值向量，权值向量更新采用如下算法：取目标函数误差是第k时刻可调权值向量的函数，对于特定的，有：其中，为雅克比矩阵，根据目标函数的定义，可求得：为避免迭代计算时出现除0错误，对于任一矩阵元素采用如下计算方法：其中，在简化计算的前提下，近似为过程灵敏度。通过评估的欧几里德范数的平方，可得：其中，为学习率，为单位矩阵，为用来保证正定的常数；相应地，控制器输出：其中，为用于消除静差的人工设置量。初始值设置为0，当存在稳态误差时，人工调节用于消除稳态误差。相对于双梯度下降法的迭代方式，此方式的迭代更新次数较少，有利于实现较快的收敛速度。设置迭代阈值，当时，不进行任何权值向量更新的运算，的取值取决于具体的稳态控制精度要求,取值越小，稳态性能越好，但计算次数及调节阀的调节次数相应增加。设置迭代阈值，当时，不计算权值增量。同时设置阈值，当时，维持上一刻的权值向量不变。上述算法有关参数的整定规则：的设置值越小，稳态精度越高。增大、的设置值，可大大减小调节阀的调节次数，但会引入静差，可通过设置来消除静差。通常可取、、。向量元素的初值通常需大于10，初值对算法有一定影响。增大初值，可提高控制精度，但需相应减小的设置值。当元素的初值较大时，直接设置，可不调节，即可获得良好的控制精度，但会引起调节阀频繁动作。当实际的过程灵敏度>3时，将学习率设置为过程灵敏度的倒数，可实现控制量输出连续。此时，若直接设置学习率为1，控制量的输出等同于bang-bang控制。本发明综合现场液位控制的需求、增量式PID的实质及算法的计算复杂度，设计了一种自适应控制器控制算法。本发明不需要估计过程时间常数，抗扰动能力强。非专业人员仅需通过本说明设置参数即可达到理想的控制效果。同时，通过此方式，可在液位控制中减小调节阀的调节次数，在实现精确控制的同时，延长设备寿命。此外，在液位控制中，使用此方法可在替代串级控制的前提下，省却流量变送器，降低控制成本。附图说明图1是液位仪用自适应控制方法框图。图2是一阶液位响应曲线。图3是一阶液位系统控制器输出曲线。图4是一阶液位系统液位脉冲扰动下的液位响应曲线。图5是一阶液位系统液位脉冲扰动下的控制器输出曲线。图6是二阶液位响应曲线。图7是二阶液位控制器输出曲线。图8是二阶液位控制器输出曲线局部放大图。图9是二阶液位系统液位扰动下的液位响应曲线。图10是二阶液位系统液位扰动下的控制器输出曲线。具体实施方式实施例：参照图1，本发明提供的一种液位仪用自适应控制算法，所述算法包括：应用算法取3次历史偏差，设第k时刻的偏差向量为，其中，用于消除静差，为当前偏差，为前2个时刻的历史偏差；为第k时刻的权值向量，权值向量更新采用如下算法：取目标函数误差是第k时刻可调权值向量的函数，对于特定的，有：其中，为根据目标函数求得的雅克比矩阵，即：为避免迭代计算时出现除0错误，任一矩阵元素采用如下计算方法：其中，近似为过程灵敏度。通过评估的欧几里德范数的平方，可得：控制器输出：其中，为单位矩阵，为常数，用来保证正定。可选。设置迭代阈值，当时，不进行任何权值向量的更新运算，设置迭代阈值，当时，不计算权值增量，同时设置阈值，当时，维持上一刻的权值向量不变。在应用中取、、、、、、。下述采用具体的实例验证算法的性能：例一：一阶液位对象传递函数，调节阀型号、液位变送器型号DDZ--Ⅲ型，格兰富水泵，采用牛顿模块实现与上位机的通信，上位机采用组态王6.55。利用变频器使水压产生20%的波动，波动频率2rad/s。图2为根据图1方法框图实验所得的液位响应曲线。图2说明控制效果良好，无超调快速进稳态，并且抗扰性能良好。相对常规的串级控制，可以省去控制内环及流量变送器，在参数易调的同时，可以起到大幅度节省成本的目的。图3为说明了控制器在流量有扰动时的输出。图4为液位受脉冲扰动时的液位响应曲线，在输出干扰的情形下能很快恢复到给定液位。图5为液位受脉冲扰动下的控制器输出曲线，显示了控制器良好的抗干扰能力。例2：二阶液位对象传递函数，实验条件与实例1相同。图6说明系统在有流量扰动时的性能与无流量扰动时相当。图7说明调节阀仅仅需两次反方向调整即可寻优到最终的停止位置。图8为控制器输出曲线局部放大图，显示了在有供水流量扰动时的调节阀微调动作。图9为二阶液位系统液位扰动下的液位响应曲线，在液位受到干扰的情形下能很快恢复到给定液位。图10为二阶液位系统液位扰动下的控制器输出曲线，显示了控制器良好的抗干扰能力。