[發(fā)明專利]染色過程濕度優(yōu)化控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010136081.X
• 申請日: 2010-03-30
• 公開（公告）號: CN101807083A
• 公開（公告）日: 2010-08-18
• 發(fā)明（設計）人: 魯仁全;薛安克;陳巧;鄒洪波;周曉慧
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G05D22/02
• 分類號: G05D22/02;G05B13/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

1.染色過程濕度優(yōu)化控制方法，其特征在于該方法首先通過階梯式動態(tài)矩 陣預測控制方法對冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值進行控 制；當染色車間空氣濕度為40～60％時采用PID控制方法對冷水二通閥、加熱二 通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值進行補償控制；

所述的階梯式動態(tài)矩陣預測控制方法的具體步驟是：

a.建立預測模型，具體方法是：以冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的 閥門開度值為輸入控制量，以濕度傳感器采集到的染色車間空氣濕度值為輸出 量，建立基于最小二乘法的離散差分形式的受控自回歸滑動平均時滯模型

A(z^-1)y(k)＝B(z^-1)u(k)+C(z^-1)u(k-h(k))

其中y(k)表示染色車間空氣濕度值，u(k)表示控制輸入變量，u(k-h(k))表示控制 輸入變量的時滯，A(z^-1)、B(z^-1)和C(z^-1)表示通過辨識得到的已知的實參數(shù)矩陣；

y(k)＝[y₁(k)，y₂(k)，…y_n(k)]^T；y_i(k)∈R^n×1，i＝1，2，…n；

u(k)＝[u₁(k)，u₂(k)，u₃(k)]^T，u₁(k)∈R^m×1，u₂(k)∈R^m×1，u₃(k)∈R^m×1；

其中u₁(k)表示冷水二通閥閥門開度值，u₂(k)表示加熱二通閥閥門開度值，u₃(k)表 示蒸汽二通閥閥門開度值，在染色過程中，通過控制冷水二通閥、加熱二通閥和 蒸汽二通閥的閥門開度值來實現(xiàn)染色車間空氣濕度控制；

A(z-1)=1+Σi=1naaiz-1,]]>B(z-1)=Σi=1nbbiz-1,]]>C(z-1)=Σi=1ncciz-1;]]>

其中，a_i、b_i和c_i表示需要辨識的模型參數(shù)，na、nb和nc表示采樣個數(shù)；

b.通過z反變換，把上述模型轉化成基于脈沖響應傳遞函數(shù)的非參數(shù)化模型， 即染色車間空氣濕度值預測模型：

y^m(k+1)=g1u(k)+g2u(k-1)+···+gNu(k+N-1)]]>

+s1u(k-h(k))+s2u(k-h(k)-1)+···+sNu(k-h(k)+N-1)]]>

=Σl=1Ngl×u(k+1-l)+Σt=1Nst×u(k-h(k)+1-t)]]>

其中表示k+1時刻預測模型的輸出染色車間空氣濕度值，N為建模時域， u(k+1-l)表示k+1-l時刻的控制輸入變量，u(k-h(k)+1-t)表示k+1-t時刻控制輸 入變量的時滯，g_l和s_t表示通過辨識得到的已知的實參數(shù)矩陣；

G(z-1)=B(z-1)A(z-1)]]>

其中ZT-1[B(z-1)A(z-1)]=gk,]]>G(z-1)=Σi=1Ngiz-i,]]>(k＝1，…，N)；

S(z-1)=C(z-1)A(z-1)]]>

其中ZT-1[C(z-1)A(z-1)]=sk,]]>S(z-1)=Σj=1Nsjz-j,]]>(k＝1，…，N)；

其中，g_i和s_j表示通過辨識得到的已知的實參數(shù)矩陣；

c.修正預測輸出，實現(xiàn)反饋校正，具體方法如下：比較實際輸出和預測模型 輸出，構建預測模型誤差，通過對誤差加權的方式來修正對未來輸出的預測，實 現(xiàn)對下一步預測輸出的反饋校正；預測輸出表示為：

y^p(k)=y^(k+1)...y^(k+p)=y^m(k)+ρ1e1(k)...y^m(k+p-1)+ρpep(k),]]>

其中P為預測時域，ρ_i(i＝1，2，…p)為預測模型誤差的權值，e(k)為預測模型誤差

e(k)=e1(k)...ep(k)=y(k)+y^m(k)...y(k+p-1)-y^m(k+p-1)]]>

d.建立性能指標，進行在線的滾動優(yōu)化；通過將反饋校正后的預測染色車間 空氣濕度輸出值與實際的染色車間空氣濕度參考值進行比較，建立輸出預測誤差 和控制量加權的二次型性能指標，描述如下：

J(k)=[Y^p(k+P)-Yr(k+P)]TQ[Y^p(k+P)-Yr(k+P)]+ΔUM(k+M-1)TRΔUM(k+M-1)]]>

其中表示染色車間空氣濕度的輸出預測值，Y_r(k+P)表示染色車間空 氣濕度的參考軌跡值，P表示預測時域，M表示控制時域，Q和R表示溫度預測 輸出誤差和控制量的加權矩陣，預測誤差

Y^p(k+p)=y^p(k+1),y^p(k+2),···y^p(k+p)T;]]>

Yr(k+p)=yr(k+1),yr(k+2),···yr(k+p)T;]]>

Q＝diag{q₁，q₂，…q_n}，R＝λE＝diag{λ₁，λ₂，λ₃}；E為單位矩陣；

ΔU(k+M-1)＝[Δu(k-M+1)，Δu(k-M+2)，…Δu(k-1)]^T；

其中y^p=[y^1p(k),y^2p(k),···,y^np(k)]T,]]>y^ip(k)∈Rn×1,]]>i＝1，2，…n；

y_r＝[y_1r(k)，y_2r(k)，…，y_nr(k)]^T，y_ir(k)∈R^n×1，i＝1，2，…n；

e.得出最優(yōu)控制律，具體方法是：采用階梯式動態(tài)矩陣控制方法來計算最優(yōu) 控制律，最優(yōu)控制律σ描述如下：

σ=BTQ[Yr(k+p)-GΔU(k+M-1)-SΔU(k-h(k)+M-1)-ρe(k)]BTQB+λ(1+γ2+γ4+···γ2(M-1))]]>

其中γ為控制量呈階梯式變化的變化系數(shù)，B＝G[1，γ，…γ^M-1]^T，Δu(k)＝σ，

其中

f.容許控制集的建立，采集染色過程中的冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二 通閥的閥門開度值數(shù)據(jù)，用歐式空間對其進行時滯控制度量，建立容許控制集Ω， 描述如下：

Ω＝{h(k)∈R|0＜h(k)＜h}

其中h(k)表示時變時滯，h表示時滯上界；

把σ與容許控制集相比較，如果σ在容許控制集內，則停止計算，此時，σ就 是最優(yōu)的控制輸入；否則，通過從容許控制集中加入新息u(k+1)，對染色車間空 氣濕度值預測模型進行修正，從步驟b重新開始循環(huán)；

所述的PID補償控制方法表示如下：

u(k)=kP×{ep(k)+ΔTTi×Σj=0kep(k)+TdΔT×[ep(k)-ep(k-1)]}]]>

其中，預測誤差k_P為比例系數(shù)，T_i為積分時間常數(shù)，T_d為 微分時間常數(shù)，ΔT為時間間隔；

調節(jié)比例系數(shù)k_P使得染色車間空氣濕度值輸出上升時間減小；調節(jié)積分時間 常數(shù)T_i使得染色車間空氣濕度值輸出超調量減小，系統(tǒng)振蕩減小，控制精度提高； 調節(jié)微分時間常數(shù)T_d使得染色車間空氣濕度值輸出調節(jié)時間減小，系統(tǒng)響應時間 更快。