[发明专利]一种针对工业过程的高效数据驱动内模多项式控制器

摘要

本发明公开了一种针对工业过程的高效数据驱动内模多项式控制器，一、设计具有多项式加内模功能的总体控制结构，取多项式控制器输入为误差{e(k)}系列，输出为{u(k)}系列，取其结构为如下所示：其中，a₀～a_n,b₁～b_n为待确定的系数；二，对内模多项式控制器进行数据驱动随机逼近参数寻优；本发明继承PID控制器的简单实用的精髓，摒弃PID控制器的结构单一、误差利用效率低的缺点，将其拓展到一类结构可变的内模多项式控制器，不依赖于被控对象的数学模型，直接从数据出发，利用随机逼近的原理，加入了内模驱动功能。针对大滞后明显的过程，将自动启动内模补偿功能，将内模控制器和多项式控制器进行同步参数随机逼近，得到最优的控制参数。

主权项

1.一种针对工业过程的高效数据驱动内模多项式控制器，其特征在于控制步骤如下：步骤一：设计具有多项式加内模功能的总体控制结构取多项式控制器输入为误差{e(k)}系列，输出为{u(k)}系列，取其结构为如下所示：u(z-1)e(z-1)=a0+a1z-1+a2z-2+···+anz-n1+b1z-1+b2z-2+···+bnz-n]]>其中，a₀～a_n,b₁～b_n为待确定的系数；按照内模多项式控制器设计过程，将过程模型分解为G_m+G_m-的形式，式中：G_m-为模型的最小相位部分；G_m+包括模型中不稳定的部分和纯滞后的部分；将工业过程对象特性假设为一阶加纯滞后过程，可取内部模型Gm(s)=KmTms+1e-τms]]>由内模原理虚线框内的等效控制器为GC(s)=G--1(s)f(s)1-Gm(s)Gm--1(s)f(s)]]>=G+-1(s)f(s)G(s)(1-G+-1(s)f(s))]]>取滤波器并对纯滞后项进行一阶Pade近似：可得Gc(s)=0.5Tmτms2+(Tm+0.5τm)s+1Km(λ+τm)s(0.5λτmλ+τms+1)]]>取等效控制器为如下离散表达式u(z-1)e(z-1)=Kc[1+TsTi11-z-1+Td(1-α)Ts1-z-11-αz-1]]]>这里，Ts为采样时间，α=T_f/(T_s+T_f).则待整定的控制器参数向量表示为：θ_k=[Kc,Ti,Td,α]^T步骤二：对内模多项式控制器进行数据驱动随机逼近参数寻优损失函数取为一步超前二次型性能指标Lk=E[(yk+1-rk+1)TAk(yk+1-rk+1)+ukTBkuk]]]>这里，A_k与B_k为半正定系数矩阵，分别反映了跟踪误差和控制能量的权重；r(k)为参考输入，y(k)为系统实际输出；控制器参数向量为θ_k=[Kc,Ti,Td,α]^T，控制的目标是使L_k(θ_k)最小，由于对象未知，采用改进型扰动随机逼近方法，具有如下形式：Kc(k)Ti(k)Td(k)α(k)=Kc(k-1)Ti(k-1)Td(k-1)α(k-1)-akg^k(θ^k-1)]]>其中为控制器参数梯度向量，第l个分量（这里，l=1，2，3，4）由下式获得：g^kl(θ^k-1)=Lk(θ^k-1+ckΔk)2ckΔkl]]>其中，△_k为满足同一分布的随机向量，{a_k}、{c_k}是满足随机逼近算法增益条件的正序列，取a_k=a/(k+A)^β和c_k=c/k^γ（k=1,2,…），确定非负系数a，c，A，β和γ；设定初始值θ^0=[Kc(0),Ti(0),Td(0),α(0)]T;]]>是对控制量施加扰动c_k△_k后由实际控制中得到的输入输出数据计算所得；当控制器参数为时所产生的系统控制量记为这里存在一步滞后，则对应的系统输出量记为将产生的代入性能指标，得到Lk(θ^k-1+ckΔk)=E[(yk+1+-rk+1)TAk(yk+1+-rk+1)+uk+TBkuk+]]]>