印染车间空气温度控制方法技术

本发明专利技术公开了一种印染车间空气温度控制方法。本发明专利技术采用多模型切换系统预测控制方法。在染色车间空气温度变化时，通过对系统模型参数的适当调整，建立车间空气温度在不同典型工况下的切换系统模型。然后，通过设计多模型切换系统的有限时间域收敛观测器，提高输出值预测的估计精度与收敛速度。最后，利用QP算法求解最优控制律，从而提高染色过程车间空气温度控制的精度。与现有控制技术相比，本发明专利技术方法在兼顾各典型工况运行特性下保证控制具有较高的精度和稳定性，满足实际工业过程低成本高效益的节能需要。

Air temperature control method in printing and dyeing shop

The invention discloses a method for controlling air temperature in a printing and dyeing shop. The invention adopts a multi model switching system predictive control method. When the air temperature in the dyeing shop is changed, the switching system model of the workshop air temperature under different typical conditions is established by adjusting the parameters of the system model. Then, by designing a finite time domain convergent observer for multi model switched systems, the estimation accuracy and convergence rate of output prediction are improved. Finally, the QP algorithm is used to solve the optimal control law, so that the accuracy of the air temperature control in the dyeing process is improved. Compared with the prior control technology, the method of the invention ensures the control to have high precision and stability under the consideration of the operating characteristics of each typical working condition, and meets the energy saving requirement of low cost and high benefit in the actual industrial process.

【技术实现步骤摘要】
印染车间空气温度控制方法
本专利技术属于信息
，涉及一种染色过程中通过控制冷水二通阀、加热二通阀和蒸汽二通阀的阀门开度值来实现印染车间空气温度控制的方法，可用于印染行业。
技术介绍
随着现代印染技术的进一步发展，印染企业对染色工艺合成品质量要求越来越高。而染色过程的车间空气温度对坯布染色颜色的色度值影响很大，如果不对车间空气温度进行合理控制则会造成坯布染色不均，影响坯布的整体效果和美观。现今印染企业的车间空气温度控制主要采用开环控制，急开急停，容易导致二通阀阀门损坏，也容易使得染色过程车间空气温度控制精度不高，最终导致坯布染色颜色色度值误差很大。为了综合考虑实际控制信号时延滞后对控制效果的影响以及不同典型工况的系统动态特性。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对由现有方式来控制染色车间空气温度的不足，提供一种印染车间空气温度优化控制的新方法。本专利技术采用多模型切换系统预测控制方法，对典型工况下冷水二通阀、加热二通阀和蒸汽二通阀的阀门开度值进行控制，通过设计切换系统有限时间域内收敛的观测器对系统状态向量进行估计，用于温度输出值的预测，并利用二次规划（QP）问题的求解方法进行优化求解，从而提高染色车间空气温度控制精度。本专利技术的染色过程温度控制方法的具体步骤是：1.建立被控对象的多预测模型。首先，以冷水二通阀、加热二通阀和蒸汽二通阀的阀门开度值为输入控制量，以温度传感器采集到的染色车间空气温度值为输出量，通过系统辨识方法，建立染色过程在各个典型温度下控制系统的离散时间传递函数模型Ai(z-1)y(k)＝Bi(z-1)u(k)其中y(k)表示染色车间空气温度值；u(k)＝[u1(k),u2(k),u3(k)]T为k时刻的控制输入变量，其中u1(k)表示k时刻冷水二通阀阀门开度值，u2(k)表示k时刻加热二通阀阀门开度值，u3(k)表示k时刻蒸汽二通阀阀门开度值；在染色过程中，通过控制冷水二通阀、加热二通阀和蒸汽二通阀的阀门开度值来实现染色车间空气温度控制；Ai(z-1)和Bi(z-1)表示第i个典型工况对应的多项式矩阵，可以通过辨识得到，其形式为Ai(z-1)=I+Σj=1naAijz-i,Bi(z-1)=Σj=0nbBijz-i]]>其中Aij,Bij表示需要辨识的模型参数，I表示具有合适维数的单位矩阵，na、nb表示采样个数。然后，将前述离散时间传递函数模型通过状态空间实现，建立下述基于状态空间描述的印染车间空气温度控制系统模型x(k+1)＝Aix(k)+BiΔu(k)y(k)＝Cix(k)其中x(k)＝[yT(k)…yT(k-na)ΔuT(k-1)…ΔuT(k-nb)]T为系统k时刻的状态向量，Δu(k)＝u(k)-u(k-1)为k时刻控制输入的增量。上述模型中的系数矩阵Ai,Bi和Ci分别为Bi=[Bi0T0...0|I0...0]]]>Ci=[I0...0|00...0]]]>2.预测输出值。由第1步建立的被控对象（染色过程温度控制系统）的状态空间模型，通过迭代计算，可得输出值y(k+j)=CiAijx^(k)+Σl=0j-1CiAij-l-1Δu(k+l)]]>其中为状态向量x(k)的估计值，y(k+j)表示利用k时刻的数据估计k+j时刻的输出值，j为不小于1的正整数。令N和Nu分别表示预测时域和控制时域，则可将预测输出的状态空间模型表示为如下形式Y(k)=Fix^(k)+GiU(k)]]>其中Y(k)=y^(k+1|k)y^(k+2|k)...y^(k+N|k),U(k)=Δu(k)Δu(k+1)...Δu(k+Nu-1)]]>式中为k+s时刻输出量的预测值，且s＝1,2,...,N。由上式知，对输出量的预测依赖于系统状态向量的估计值状态估计的准确性及收敛速度将直接影响输出值y的预测。3.切换系统的有限时间域状态估计。本专利技术通过设计切换系统的有限时间域（即有限步k）收敛状态观测器，以解决多模型切换系统状态估计的精度和收敛快速性问题，可用于印染车间空气温度的优化控制。对于可观的矩阵对(Ai,Ci)，设计两个观测器zi(k+1)＝(Ai-LjiCi)zi(k)+Biu(k)+Ljiy(k),j＝1,2,i＝1,2,…n其中zi=z1iz2i,]]>z1i(k)和z2i(k)分别为k时刻两个观测器的状态向量，L1i,L2i为待设计的观测器增益矩阵。引入滞后时间d（d为正整数），并记Mi＝Ai-LjiCi，则zi(k+1)＝Mizi(k)+Niu(k)+Ljiy(k)x^(k)=K[zi(k)-Midzi(k-d)]]]>其中Mi=M1i00M2i=Ai-LjiCi00Ai-LjiCi]]>Ni=BiBi,Lji=L1iL2i,T=II,Ki=[I0][TMidT]-1]]>选择合适的矩阵L1i,L2i，使得矩阵Mi稳定（对应于系统中Mi的模均小于1），则有若初始状态为x(0)＝x0，及可得zi(k)=Tx(k)+Mid[Tx^0-Tx0]x(k)=Kizi(k)-KiMidzi(k-d)^=Ki[Tx(k)+MidT(x^0-x0)]-KiMidTx^0]]>显然KiT＝I和所以当k=d时，下式成立x^(k)-x(k)=KiMikT(x^0-x0)=0]]>对于染色过程温度控制系统，选择绝对值大于零且小于1的实数标量利用标准的极点配置方法，设计矩阵L1i，将M1i的极点配置到单位圆内的则存在非奇异矩阵Γ，将M1i做相似变换，得M‾1i=Γ-1(Ai-LjiCi)Γ=diag{λ1,λ2,...,λna+nb+1}]]>式中diag{λ1,λ2,...,λna+nb+1}]]>表示元素为λ1,λ2,...,λna+nb+1]]>的对角矩阵。类似的，再设计矩阵L2i，使Ai-L2iCi＝α(Ai-L1iCi)，其中标量α满足0<α<1，则可将M2i的极点配置为单位圆内的且有M‾2i=Γ-1(Ai-L2iCi)Γ=αdiag{λ1,λ2,...,λna+nb+1}]]>M2i=ΓM2iΓ-1=αdiag{λ1,λ2,...λna+nb+1}=αM1i,]]>上式表明，对任意有限大小的正整数d，矩阵[TMidT]]]>的行列式为det[TMidT]=det[M2id-M1id]≠0,]]>即矩阵[TMidT]]]>可逆，切换系统状态向量x(k)的估计误差将在任意的有限时间步长k=d时收敛至零。4.优化控制求解。（1）建立切换系统二次型优化目标函数Ji=Σj=1NuPiΔu2(k+j-1)+Σj=1NQiy^2(k+j|k)]]>其中Pi和Qi分别为多模型切换系统中控制量和预测输出的加权矩阵。当取Qi＝I时，前述本文档来自技高网...

【技术保护点】
印染车间空气温度控制方法，其特征在于该方法的具体步骤是：步骤1、建立被控对象的多预测模型，具体是：首先，以冷水二通阀、加热二通阀和蒸汽二通阀的阀门开度值为输入控制量，以温度传感器采集到的染色车间空气温度值为输出量，通过系统辨识方法，建立染色过程在各个典型温度下控制系统的离散时间传递函数模型A

【技术特征摘要】
1.印染车间空气温度控制方法，其特征在于该方法的具体步骤是：步骤1、建立被控对象的多预测模型，具体是：首先，以冷水二通阀、加热二通阀和蒸汽二通阀的阀门开度值为输入控制量，以温度传感器采集到的染色车间空气温度值为输出量，通过系统辨识方法，建立染色过程在各个典型温度下控制系统的离散时间传递函数模型Ai(z-1)y(k)＝Bi(z-1)u(k)其中y(k)表示染色车间空气温度值；u(k)＝[u1(k),u2(k),u3(k)]T为k时刻的控制输入变量，其中u1(k)表示k时刻冷水二通阀阀门开度值，u2(k)表示k时刻加热二通阀阀门开度值，u3(k)表示k时刻蒸汽二通阀阀门开度值；在染色过程中，通过控制冷水二通阀、加热二通阀和蒸汽二通阀的阀门开度值来实现染色车间空气温度控制；Ai(z-1)和Bi(z-1)表示第i个典型工况对应的多项式矩阵，可以通过辨识得到，其形式为其中Aij,Bij表示需要辨识的模型参数，I表示具有合适维数的单位矩阵，na、nb表示采样个数；然后，将前述离散时间传递函数模型通过状态空间实现，建立下述基于状态空间描述的印染车间空气温度控制系统模型x(k+1)＝Aix(k)+BiΔu(k)y(k)＝Cix(k)其中x(k)＝[yT(k)…yT(k-na)ΔuT(k-1)…ΔuT(k-nb)]T为系统k时刻的状态向量，Δu(k)＝u(k)-u(k-1)为k时刻控制输入的增量；上述模型中的系数矩阵Ai,Bi和Ci分别为Bi＝[Bi0T0…0|I0…0]Ci＝[I0…0|00…0]步骤2、预测输出值，具体是：由第1步建立的被控对象的状态空间模型，通过迭代计算，可得输出值其中为状态向量x(k)的估计值，y(k+j)表示利用k时刻的数据估计k+j时刻的输出值，j为不小于1的正整数；令N和Nu分别表示预测时域和控制时域，则可将预测输出的状态空间模型表示为如下形式其中式中为k+s时刻输出量的预测值，且s＝1,2,...,N；由上式知，对输出量的预测依赖于系统状态向量的估计值状态估计的准确性及收敛速度将直接影响输出值y的预测；步骤3、切换系统的有限时间域状态估计，具体是：通过设计切换系统的有限时间域收敛状态观测器，以解决多模型切换系统状态估计的精度和收敛快速性问题，可用于印染车间空气温度的优化控制；对于可观的矩阵对(Ai,Ci)，设计两个观测器zi(k+1)＝(Ai-LjiCi)zi(k)+Biu(k)+Ljiy(k),j＝1,2,i＝1,2,…n其中z1i(k)和z2i(k)分别为k时刻两个观测器的状态向量，L1i,L2i为待设计的观测器增益矩阵；引入滞后时间d，d为正整数，并记Mji＝Ai-LjiCi，则zi(k+1)＝Mizi(k)+Niu(k)+Liy(k...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈云，孙秀芳，周晓慧，鲁仁全，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33