[發明專利]一種液位儀用自適應控制算法

有效

• 申請號: 201410257727.8
• 申請日: 2014-06-12
• 公開（公告）號: CN104020673B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 廖曉文;劉美
• 申請（專利權）人: 廣東石油化工學院
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 茂名市穗海專利事務所44106
• 代理人: 李好琚

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技術領域

本發明涉及液位儀控制技術領域，具體涉及到使用液位變送器、流量計、調節閥的液位儀用自適應控制算法，特別是雅克比矩陣的離散化計算方法，并給出清晰的參數整定規則。

背景技術

通常配套液位變送器、流量計、調節閥的液位控制儀表在過程控制有著廣泛的應用，常規的串級控制方法，通過引入流量計，通過控制內環實現流量擾動的控制，外環實現液位控制。單純的人工調節即可保證液位控制的準確性，并且抗擾性性能良好，但是在響應的快速性方面有所欠缺，參數難調。優化的設計方法需要結合液位控制對象傳遞函數將內環設計成I型系統，外環設計成II型系統，并根據I型系統動態跟隨性能指標與參數的關系及II型系統動態抗擾性能指標與參數的關系，設置PID參數，通過此方式可獲得較好的控制性能。但缺點也是顯然的，即需要獲取對象的傳遞函數。并且，當過程對象傳遞函數發生改變時，沒有專業知識的現場人員整定參數困難。

專利號為99810273.3?的中國專利提出了一種利用神經網絡和梯度下降法設計了一種無模型自適應控制方法，擁有這個專利的博軟公司宣稱它是世界上首套通用型先進控制儀表，幾乎不需要參數調整。但是它還存在如下不足，????????????????????????????????????????????????梯度下降法的收斂速度較慢；權值限幅設置在復雜性方面，并不亞于PID算法，如果參數設置不當，等同于位置式PID算法，這種開關控制的結果容易引起調節閥大幅度動作，液位控制曲線振蕩，而且會造成調節閥壽命短維修費用高；激活函數采用通用的，在大多數場合都存在映射問題；過程靈敏度與學習率的設置也較為復雜，但學習率設置正確的話，即使編程出差也能達到較好的控制效果。值得肯定的是，該專利用于位置式PID控制可以適用的場合效果不錯，因為不需要做權值限幅。

公開號為CN1121196的中國專利也是一種無模型自適應控制技術，在復雜、大遲滯、高度非線性系統方面有過不少成功的應用。但應用在液位控制這樣的系統，需要采用全格式的線性化方程，對控制頻率要求較高。

發明內容

本發明綜合現場液位控制的需求、增量式PID的實質及算法的計算復雜度，設計了一種液位儀用自適應控制算法，它可實現精確液位控制，可在保證液位控制品質的同時達到減小調節閥的調節次數以延長設備使用壽命、省卻流量傳感器以降低控制成本的目的。

本發明提供了一種液位儀用自適應控制算法，所述算法包括：?

首先設定為第k時刻的偏差向量，其中，用于消除靜差，為當前給定液位與反饋液位的偏差，為前n時刻的歷史偏差；為第k時刻的權值向量，權值向量更新采用如下算法：

取目標函數?

誤差是第k時刻可調權值向量的函數，對于特定的，有：

其中，為雅克比矩陣，根據目標函數的定義，可求得：

為避免迭代計算時出現除0錯誤，對于任一矩陣元素采用如下計算方法：

其中，在簡化計算的前提下，近似為過程靈敏度。通過評估的歐幾里德范數的平方，可得：

其中，為學習率，為單位矩陣，為用來保證正定的常數；

相應地，控制器輸出：

其中，為用于消除靜差的人工設置量。初始值設置為0，當存在穩態誤差時，人工調節用于消除穩態誤差。

相對于雙梯度下降法的迭代方式，此方式的迭代更新次數較少，有利于實現較快的收斂速度。

設置迭代閾值，當時，不進行任何權值向量更新的運算，的取值取決于具體的穩態控制精度要求,?取值越小，穩態性能越好，但計算次數及調節閥的調節次數相應增加。設置迭代閾值，當時，不計算權值增量。同時設置閾值，當時，維持上一刻的權值向量不變。

上述算法有關參數的整定規則：

的設置值越小，穩態精度越高。增大、的設置值，可大大減小調節閥的調節次數，但會引入靜差，可通過設置來消除靜差。通?？扇?、、。?

向量元素的初值通常需大于10，初值對算法有一定影響。增大初值，可提高控制精度，但需相應減小的設置值。當元素的初值較大時，直接設置，可不調節，即可獲得良好的控制精度，但會引起調節閥頻繁動作。

當實際的過程靈敏度>3時，將學習率設置為過程靈敏度的倒數，可實現控制量輸出連續。此時，若直接設置學習率為1，控制量的輸出等同于bang-bang控制。