一种工业过程扩展状态空间二次型容错跟踪控制方法技术

一种工业过程扩展状态空间二次型容错跟踪控制方法，属于工业过程控制技术领域，所述方法包括如下步骤：针对工业过程，建立被控对象的以状态空间模型为基础的不确定系统模型；针对正则系统设计被控对象的工业过程新型控制器；保证系统稳定运行的情况下，求解其允许的最大干扰及故障。本发明专利技术通过设计一个稳定的控制器，使得系统在其故障导致模型失配，以及在干扰最大的情况下，依然稳定运行，并实现更好的控制性能。

An extended state space quadratic fault tolerant tracking control method for industrial process

【技术实现步骤摘要】
一种工业过程扩展状态空间二次型容错跟踪控制方法
本专利技术属于工业过程控制
，具体涉及一种工业过程扩展状态空间二次型容错跟踪控制方法。
技术介绍
注塑成型过程广泛应用在塑料加工等相关领域，虽然对于注塑成型过程已有部分研究，但在现代塑料加工的高精控制方面仍然是一个挑战。主要原因在于其复杂的动态特性，以及多变的工艺条件。因而，系统故障，干扰随之增加。系统受到故障及干扰时将导致模型不匹配，使得系统无法稳定运行。在模型不匹配的情况下提高控制性能仍然是一个重要问题。迭代学习控制策略可以有效地抵制生产环节中的不确定性，但是它要求工业过程具有重复性，而实际上许多工业过程都是非重复特性的，结合反馈控制算法的复合ILC控制策略能够对非重复干扰作出快速响应，极大地保证了系统的实时跟踪性能和鲁棒性。然而，在实际运行时，系统状态不可能完全按照所求得的控制律作用而变化；若当前时刻的系统状态与设定值发生一定的偏离时，仍继续采用同一控制律，随着时间的推移，系统状态的偏离会愈发增大，这势必会对系统的稳定运行和控制性能产生不良的影响。因此，为解决系统控制中故障和干扰导致模型失配的问题，对未知扰动下的工业过程，增加参数调节的自由度，并保证系统的控制性能，且在干扰值最大的情况下，保证系统的稳定，提高控制精度从而提高生产效率及产品质量，提出一种更加有效的控制办法极为必要。
技术实现思路
针对具有故障和干扰下的工业过程，本专利技术提出一种工业过程新型扩展状态空间二次型容错跟踪控制方法，通过设计一个稳定的控制器，使得系统在其故障导致模型失配，以及在干扰最大的情况下，依然稳定运行，并实现更好的控制性能。本专利技术目的一是为改善工业过程中控制方法的跟踪性能，抗故障和抗干扰性，提出工业过程新型扩展状态空间二次型容错跟踪控制方法。该方法首先通过采集输入输出数据建立输入输出模型，同时模型建立考虑了故障、干扰，再选取合适的状态变量，引入拓展信息，建立状态空间模型，进一步将状态空间模型转换为包含状态误差、输出跟踪误差和拓展信息的扩展状态空间模型。二是为实现工业过程在外界“最坏”情况下达到其良好的跟踪性能，设计了控制律，此控制律通过增加可调节的加权系数，调节更为灵活，能适时地抗干扰，并在干扰最大的情况下实现系统稳定。三是不同于传统的状态空间模型，所提方法的新模型同时考虑了状态误差、跟踪误差和拓展信息。在新设计模型的基础上，通过增加可调节的加权系数，调节更为灵活，并保证系统获得了更好的控制性能。四是基于Lyapunov函数的稳定性理论，使得得出的系统稳定是指数稳定，此方法得出的结果不需引用任何其它变量，简单易行，同时指数稳定加快了系统收敛速度。本专利技术的技术方案是通过数据采集、模型建立、预测机理、优化等手段，确立了一种工业过程新型扩展状态空间二次型容错跟踪控制方法，利用该方法可有效改善工业过程跟踪性能，抗故障和干扰性，实现系统在受控对象模型失配和扰动条件下仍具有良好的控制效果及提高了生产效率。本专利技术采用如下技术方案：一种工业过程扩展状态空间二次型容错跟踪控制方法，包括如下步骤：步骤1、针对工业过程，建立被控对象的以状态空间模型为基础的不确定系统模型，具体是：1.1首先采集工业过程的输入输出数据，利用该数据建立工业过程相应阶段的具有过程不确定性的实际过程模型，形式如下：其中y(z),uF(z)分别是y(k),uF(k)的z变换，并且uF(z)＝αu(z)，为不确定性系统矩阵；引进差分算子Δ，令y(k)∈R，u(k)∈R分别为k时刻输出和输入变量,得误差模型：Δy(k+1)+(a1+Δa1)Δy(k)+(a2+Δa2)Δy(k-1)+…+(an+Δan)Δy(k-n+1)＝(b1+Δb1)ΔuF(k)+(b2+Δb2)ΔuF(k-1)+…+(bm+Δbm)ΔuF(k-m+1)其中al(l＝1,m),bj(j＝1,…,n)分别是模型参数，Δal(l＝1,…m),Δbj(j＝1,…,n)是参数扰动，m，n分别是输入输出的模型阶次；并选取非最小状态空间变量Δx0(k)T，形式如下Δx0(k)T＝[Δy(k)T,…,Δy(k-n+1)T,Δu(k-1)T,Δu(k-2)T,…,Δu(k-m+1)T]，其中Δx0(k)的维数为(m-1)×p+n×q,p为输入变量的维数，q为输出变量的维数，T为矩阵转置符号；再定义输出跟踪误差e(k)，形式如下e(k)＝y(k)-r(k)其中r(k)为k时刻期望输出；引进新的状态变量满足如下等式1.2构造新的状态变量χ(k+1)，扩展模型得到新的非最小实现扩展状态空间模型，使其包含状态变量Δx0(k)、输出跟踪误差e(k)及新变量得到如下不确定性增广控制系统χ(k+1)＝(A+ΔA)χ(k)+(B+ΔB)Δu(k)则正则系统为χ(k+1)＝Aχ(k)+BΔu(k)其中B0＝[b10…0Ip0…0]ΔB0＝[00…0αIp-Ip0…0]C0＝[Iq00…0000]矩阵中的0表示适维零矩阵。步骤2.针对正则系统设计被控对象的工业过程新型控制器，具体方法是：2.1考虑含自由终端状态的非最小实现不同阶段扩展状态空间模型，选取相应的性能指标形式如下其中Q，R，Qf分别表示状态变量、被控输入和终端状态的权矩阵，k∈[k0，kf]为滚动优化时域；k0，kf分别为始端和终端时；2.2再选取合适的矩阵，使其满足如下等式2.3结合步骤2.1和步骤2.2求得控制器的参数，形式如下：2.4将步骤2.3中得到的如下的控制量u(k)作用于被控对象，u(k)＝Δu(k)+u(k-1)；2.5在下一时刻，重复步骤2.1到2.3继续求解新的控制量u(k+1)，并依次循环。步骤3.上述设计的控制器是在正则系统下的，设计的控制器具有鲁棒性，接下来本专利技术在保证系统稳定运行的情况下，求解其允许的最大干扰及故障。具体如下：3.1考虑滚动时域控制，形式如下Δu(k)＝-Kχ(k)其中K为状态反馈系数矩阵则步骤1.2不确定性增广控制系统可整理得到χ(k+1)＝(A-BK)χ(k)+(ΔA-ΔBK)χ(k)；3.2定义稳定性函数V，并获得其增量ΔV，形式如下ΔV(χ(k))＝V(χ(k+1))-V(χ(k))＝χ(k+1)TPχ(k+1)-χ(k)TPχ(k)结合步骤1.2中的不确定性增广控制系统模型，进一步转化为ΔV(χ(k))＝χ(k)T(A-BK)TP(A-BK)χ(k)+χ(k)T(A-BK)TP(ΔA-ΔBK)χ(k)+χ(k)T(ΔA-ΔBK)TP(A-BK)χ(k)+χ(k)T(ΔA-ΔBK)TP(ΔA-ΔBK)χ(k)-χT(k)Pχ(k)其中ΔV(χ(k)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工业过程扩展状态空间二次型容错跟踪控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：/n步骤1、针对工业过程，建立被控对象的以状态空间模型为基础的不确定系统模型，具体是：/n1.1采集工业过程的输入输出数据，利用该数据建立工业过程相应阶段的具有过程不确定性的实际过程模型，形式如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种工业过程扩展状态空间二次型容错跟踪控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1、针对工业过程，建立被控对象的以状态空间模型为基础的不确定系统模型，具体是：
1.1采集工业过程的输入输出数据，利用该数据建立工业过程相应阶段的具有过程不确定性的实际过程模型，形式如下：









其中y(z),uF(z)分别是y(k),uF(k)的z变换，并且为不确定性系统矩阵；
引进差分算子Δ，令y(k)∈R，u(k)∈R分别为k时刻输出和输入变量,得误差模型：
Δy(k+1)+(a1+Δa1)Δy(k)+(a2+Δa2)Δy(k-1)+…+(an+Δan)Δy(k-n+1)
＝(b1+Δb1)ΔuF(k)+(b2+Δb2)ΔuF(k-1)+…+(bm+Δbm)ΔuF(k-m+1)
其中al(l＝1,…m),bj(j＝1,…,n)分别是模型参数，Δal(l＝1,…m),Δbj(j＝1,…,n)是参数扰动，m，n分别是输入输出的模型阶次；并选取非最小状态空间变量Δx0(k)T，形式如下
Δx0(k)T＝[Δy(k)T,…,Δy(k-n+1)T,Δu(k-1)T,Δu(k-2)T,…,Δu(k-m+1)T]，
其中Δx0(k)的维数为(m-1)×p+n×q,p为输入变量的维数，q为输出变量的维数，T为矩阵转置符号；再定义输出跟踪误差e(k)，形式如下
e(k)＝y(k)-r(k)
其中r(k)为k时刻期望输出；引进新的状态变量满足如下等式



1.2构造状态变量χ(k+1)，扩展模型得到非最小实现扩展状态空间模型，使其包含状态变量Δx0(k)、输出跟踪误差e(k)及新变量得到如下不确定性增广控制系统
χ(k+1)＝(A+ΔA)χ(k)+(B+ΔB)Δu(k)
则正则系统为
χ(k+1)＝Aχ(k)+BΔu(k)
其中









B0＝[b10…0Ip0…0]
ΔB0＝[00…0αIp-Ip0…0]
C0＝[Iq00…0000]
矩阵中的0表示适维零矩阵；
步骤2.针对正则系统设计被控对象的工业过程控制器，具体方法是：
2.1考虑含自由终端状态的非最小实现不同阶段扩展状态空间模型，选取相应的性能指标形式如下



其中Q，R，Qf分别表示状态变量、被...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立敏，罗卫平，张日东，王心如，
申请(专利权)人：海南师范大学，杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：海南;46