专利名称：无模型控制方法
技术领域：
本发明涉及单片计算机与自动控制技术。
目前工业过程控制中应用的控制器，绝大多数是40年代形成的经典的PID调节器及其变种，这种控制器的设计思想是在线性思维框架中形成的，尽管在很多场合能够保证系统的稳定性，但是常常难以保证控制精度，参数适应性差，难以对付未知强非线性和强扰动的作用。
60年代以后，以被控对象的数学模型为基础的现代控制理论得到很大发展，但是由于大量实际对象给不出合适的数学模型，所以现代控制理论在许多应用的场合遇到了困难。
70年代以后出现的“自校正控制”、“模糊控制”、“预测控制”以及利用“神经网络”形成的控制、“智能控制”、“专家系统”等方法，试图解决对模型依赖问题。但实质上仍没有摆脱模型框架的束缚，有时还要用到建模、系统辨识等手续，这些方法的一个重要缺欠是控制算法比较复杂，不能适应未知非线性变化，不能抑制不确定强干扰，所以其应用范围仍受到很大限制。
本发明的目的在于提供一种不依赖于被控对象的数学模型，保证系统闭环稳定性，控制效果良好，算法简单的无模型控制方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是控制算法由基本算法和组合算法组成，控制算法的数学公式是u(k)=u(k-l)+λkδ+||ψ^(k)||2ψ^(k)[y0-y(k)+G(Ykk-n,Uk-lk-m)]]]>基本算法和组合算法由计算机程序存贮于无模型控制器的存贮器中，组合算法中的各项算法均由计算机程序模块表示，每个算法模块皆有相对应的参数。
所述的组合算法由一系列特殊算法组成。
所述的参数值由控制方法的辨识器自定。
本发明的优点是a、把现代控制理论与古典控制理论的设计方法结合了起来；b、用现代控制理论设计出了控制器的基本控制策略；c、本发明提出了控制方法组合算法中各算法的数学表达式；d、控制方法的组合部分由这些表达式和某些数字比较、判断恰当的结合所组成；e、控制方法具有三种主控制算法，四种参数整定算法，可通过现场组态，并与组合算法结合起来，达到稳定的控制现场不同工艺条件的要求；f、提出了使控制器运行稳定的技术。
下面对本发明的最佳实施例作进一步详细说明。
一种无模型控制方法，其特征在于无模型控制方法由基本算法和组合算法组成，控制算法的数学公式是u(k)=u(k-l)+λkδ+||ψ^(k)||2ψ^(k)[y0-y(k)+G(Ykk-n,Uk-lk-m)]]]>基本算法和组合算法由计算机程序存贮于无模型控制器的存贮器中，组合算法中的各项算法均由计算机程序模块表示，每个算法模块皆有相对应的参数。
所述的组合算法包括静差克服算法、反向预调算法、控制作用转向加速算法、强制稳定算法、前馈控制算法、串级调节算法、正反作用算法。
所述参数共有四个参数组，每个组中含有16个参数，每个参数定为(xy),[y表示组数，x表示在组中的序号，x的取值范围从0至F]。
所述的参数值由控制算法的辩识器自定。
本发明提出的无模型控制方法的基本算法的基础部分是u(k)=u(k-l)+λkδ+||ψ^(k)||2ψ^(k)[y0-y(k)]]]>其中y0是设定值，δ和λk是适当的参数， 是ψ(k)的估值，ψ)(K)是特征参量。本基本控制算法也被存放在程序存储器中。无模型控制器是“无需建立模型的自适应控制器”的简称。
无模型控制器的另一项重要特征(发明)是它的控制律由两部分组成，除上述基本控制算法外，还包括控制的组合部分，它是由一系列算法所组成，其中包括静差克服算法、反向预调算法、控制作用转向加速算法、强制稳定算法、前馈控制算法、串级调节算法、正反作用算法。
控制器的组合部分中的各项算法由计算机程序模块表示，每个模块皆由相应的参数表示，其中一些参数不只是表示该算法的有无，而且其数值还能表示该项算法存在的程度，具有这种特点的参数，称为无模型控制器的重要参数。
无模型控制方法参数及其意义如下为实现无模型控制器的智能特性，在它的设计中采用了智能模块组合方法，控制器中含有多种智能算法模块，对于每个模块都给予了参数编号。
在控制器中，共有四个参数组，每组中含有16个参数，所以智能模块的编号方式为(X,Y)。其中X表示组中参数序号，它的值从0到F,Y表示组号，它的表示方法是“空”、“一”、“二”、“三”。
参数组(X，空)表示主回路控制器的主要参数(0，空)表示控制作用的时间间隔。它的取值范围是0-99.99秒。例如本参数置成0500，它表示控制量每隔5秒动作一次(即开闭一次“阀门”)。
(1，空)表示控制器的灵敏度。它事实上是对偏差y0-y(k)的放大和缩小倍数。
(2，空)表示智能区间的半径，如果它取值为d，那么智能区间为(y0-d,y0+d),y0是设定值。该参数取值范围是0-99.99％。如该参数取值为0800，那么智能区就是(y0-8％,y0+8％)，这个参数值的选取要依据系统的超调量。一般的说，超调量大，这个参数的值就大，超调量小，这个参数的值就小。在实际场合，一般取0-6％。
(3，空)表示输出下限。
(4，空)表示输出上限。它们的取值范围都是0-99.99％，如(3，空)为3000,(4，空)为8500，那就表示“阀门的最小开度为30％，最大开度为85％”。
(5，空)表示报警下限。
(6，空)表示报警上限，它们的取值范围都是0-99.99％。
(7，空)智能区外输出改变限制。取值范围是0-99.99％，假定该参数取值为g，那么在智能区外，如果输出u(k)满足｜Δu(k)｜=｜u(k)-u(k-1)｜＜g，就取u(k)=u(k-1)+Δu(k)，如果｜Δu(k)＞g，就根据Δu(k)的符号，取u(k)=u(k-1)+g或u(k-1)-g。
(8，空)智能区内输出改变限制，取值范围0-99.99％。意义与(7，空)相同，所不同的是它在智能区内起作用。
(9，空)如果用X表示非1的数，那么该参数值取为11XX其控制作用是当测量值高于给定值则输出增大，低于给定值则输出减小。取成XXXX时，其控制作用相反。而XX11表示设定值由外部信号(1-5V或4-20MA)给定。若单机使用，该参数不能置成XX11的形式，XXXX表示设定值由键盘给定，所以(9，空)称为正反作用和外给定功能参数。
(A，空)反向调节强度(权数)，这个参数值大，则反向调节(即“阀门”的预先开或关)的强度大，这个参数值小，则反向调节的强度就小。
(B，空)克服静差作用的强度(权数)，取值范围为0-.9999，其克服静差作用的强度与此参数成正比。
(C，空)平稳作用强度(权数)，取值范围为0-99.99，平稳作用的强度与此参数成正比。
(D，空)参数7、8前所带的系数，取值范围为0-99.99，例如本参数为d，而参数7为g，那么真正执行的参数7为f(d)g，其中f(.)是一个适当的函数。
(E，空)、(F，空)这两个参数可以把各种显示值变换成工程实际值，其中E表示量程，F表示起始值。例如测量值是温度，其范围是200C-500C，那么E应给定3000，而F应给定2000。
除“空”组外，还有(X，一)、(X，二)、(X，三)等三组参数。这三组的参数意义如下参数(X，一)表示串级调节的付回路参数，其中除(9，-)外，其余参数的意义皆与(X，空)中的参数相同。
(9，一)参数的值分为两个，当11XX出现时，表示付回路的正反作用，“阀门”是“气闭式”用11XX，“气开式”用YYXX，其中YY，不能取11。XX11出现时，表示控制器在串级工作状态，XXYY,YY如不是11，表示非串级工作状态，此时(X，一)组的其它参数不起作用。
(X，二)参数组中各参数的基本意义如下(0，二)为辅助控制算法权系数。该参数值为0000时，无辅助算法。该参数值为9999时，辅助算法权数最大。一般的此参数的值取成参数(2，三)的倒数。
(1，二)为(1，空)的放大系数，取值范围00.00-99.99。
(2，二)为(1，一)的放大系数，取值范围00.00-99.99。
(3，二)、(4，二)、(5，二)为主回路重要参数显示器，它可以帮助确定重要参数的最佳值。(3，二)、(4，二)、(5，二)依次显示(A，空)(B，空)(C，空)的真实值。
(6，二)、(7，二)、(8，二)为付回路重要参数显示器。
(9，二)是主回路参数(1，空)的调节系数它的值＜1000时，(1，空)不变，它的值在(1000,2000)之间，(1，空)的值随阀门开度按正比变化，它的值＞2000,(1，空)的值随阀门开度按反比变化。
(A，二)为付回路参数(1，一)的调节系数，取值方式与(9，二)相同。
(B，二)为(9，二)和(A，二)两参数变化的程度系数，一般的它的值取成2000。这个数愈小(9，二)和(A，二)缩小或增大的程度愈大。
(C，二)为付回路给定值的组成系数，该值取9999，付回路给定值为主回路的输出值，该值变小，则在付回路的给定值中逐渐增加付回路量测值的信息。
(D，二)为3468时(0，三)的密码被消除。
(E，二)设定值外给定时的量程，(F，二)设定值外给定时的初始值。
(X，三)是参数组中各参数的基本意义如下(0，三)为密码，该密码为3468，每次进入修改参数时都必须输入密码，即使该位置已有3468，也需要重新输入。
(1，三)是前馈系数，取值范围为0-99.99。
(2，三)是主回路克服静差与反调作用的调节参数，若要使克服静差能力加强，则此参数值减小，若要使反调能力加强，此参数值增大，一般此参数值给成1500-2000。
(3，三)是付回路的意义与主回路(2，三)相同的参数。
(4，三)是外智能区间半径。
(5，三)是主回路的收敛强度，此参数最大给成27。如给成1，收敛强度最弱，如系统需加死区，参数给成0。
(6，三)是付回路的收敛强度，此参数最大给成27。如给成1，收敛强度最弱，如系统需加死区，参数给成0。
(7，三)是主回路的收敛强度作用半径，取值范围0-99.99％，如果(5，三)取0，这个参数就是死区半径。
(8，三)是付回路的收敛强度作用半径，取值范围0-99.99％，如果(6，三)取0，这个参数就是死区半径。
(9，三)表示有无前馈和前馈的正反作用，取YYXX,XX11表示有前馈的作用，如果是串级调节，则前馈加在付回路上，XX不取11表示无前馈的作用，YY取11，表示前馈的正作用，反之，YY不取11，表示前馈的反作用。
(A，三)辨识算法的选择(3444)、(2222)、(3333)、(4444)分别表示第一、二、三、四种辨识算法，其中(3333)算法表示参数A、B、C取常数。
(B，三)不能给成3300，若给成3300，手动信号由外给定产生，外给定手动信号，从第三路输入到仪表，本表手动失灵。
(C，三)负责调整各显示值的小数点位置，该参数的四个数字(X,Y,Z,W)中，X表示输出U的小数点位置，Y表示主回路给定值E和测量值P的小数点位置，Z表示付回路给定值C和测量值c的小数点位置，W表示前馈输入F的小数点位置。
(D，三)无模型控制方法的算法选择(0500)、(1500)、(2500)分别表示三种不同的算法，如需要死区就取(1500)。
(E，三)、(F，三)前馈测量值的量程和初始值。
上述参数中的功能参数(A，空)、(B，空)、(C，空)、(A，一)、(B，一)、(C，一)的值可以人为给定，也可以通过控制器的辨识器进行在线整定，该辨识器作为一组程序，存放在程序存储器中，该辨识器开始工作与停止工作是由控制器键盘中的一个功能键来实现的。
本项发明的主要成果是得到了如下形式的无模型控制律u(k)=u(k-l)+λkδ+||ψ^(k)||2ψ^(k)[y0-y(k)+G(Ykk-n,Uk-lk-m)]---(3)]]>
其中G(.,.)是一个适当的函数，它表示功能组合部分，而Ykk-n={y(k),……,y(k-n),y0}Uk-ak-m={u(k-1),……,u(k-m)}n、m是适当的常数。
本发明可总结为，找到了控制器设计的一种新方法，并通过相应的硬件设备实现了这种新方法，得到了成功，这种新设计方法的特点在于a、把现代控制理论与古典控制理论的设计方法结合了起来；b、用现代控制理论设计出了控制器的基本控制策略；c、本发明提出了控制方法中组合部分各算法的数学表达式；d、控制方法的组合部分由这些表达式和某些数字比较、判断恰当的结合所组成；e、控制方法包含三种主控制算法，四种参数整定算法，可通过现场组态，并与组合算法结合起来，达到稳定的控制现场不同工艺条件的要求；f、提出了使控制器运行稳定的技术。
权利要求
1.一种无模型控制方法，其特征在于无模型控制方法由基本算法和组合算法组成，控制算法的数学公式是u(k)=u(k-1)+λkδ+||ψ^(k)||2ψ^(k)[y0-y(k)+G(Ykk-n,Uk-1k-m)]]]>基本算法和组合算法由计算机程序存贮于无模型控制器的存贮器中，组合算法中的各项算法均由计算机程序模块表示，每个算法模块皆有相对应的参数。
2.按照权利要求1所述的无模型控制方法，其特征在于所述的组合算法由静差克服算法、反向预调算法、控制作用转向加速算法、强制稳定算法、前馈控制算法、串级调节算法、正反作用算法组成。
3.按照权利要求1所述的无模型控制方法，其特征在于所述参数共有四个参数组，每个组中含有16个参数，每个参数定为(xy)，[y表示组数、x表示在组中的序号，x的取值范围从0至F]。
4.按照权利要求1所述的无模型控制方法，其特征在于所述的参数值由控制算法的辩识器自定。
全文摘要
本发明涉及一种无模型控制方法,它是由基本算法和组合算法组成,控制算法的数学公式是;基本算法和组合算法由计算机程序存贮于无模型控制器的存贮器中,组合算法中的各项算法均由计算机程序模块表示,每个算法模块皆有相对应的参数。本发明提出具有现代控制理论与经典PID理论优点的、不依赖于被控对象数学模型的、使系统闭环稳定、控制效果良好、算法简单的无模型控制方法。
文档编号G06F9/302GK1289961SQ99113268
公开日2001年4月4日 申请日期1999年9月28日 优先权日1999年9月28日
发明者韩志刚 申请人:曹利华