论文研究 一种基于激素调控机制的碳纤维张力数据驱动智能控制器 .pdf

一种基于激素调控机制的碳纤维张力数据驱动智能控制器，梁霄，丁永生，许多复杂工业过程中蕴含高度的随机性和动态变化，人们提出了各种基于数据的控制和优化方法，，其应用于实践的主要问题之一是无法国科技论文在线θ为具有吋变参数的数据驱动控制器传递数;θ为可调整的控制器参数集合;为可调整的控制器参数的个数。基于机制的数据驱动控制器的控制目标为,使由下式定义的性能函数达到最小值其中θ为关」该数据驱动控制器参数0的性能涵数;0+为第+个采样时刻闭环系统在该数据驱动控制器调控下的实际输出;·为数学期望。式实际指出了基于机制的数据驱动控制器的工作原理,即通过每一个采样时间对控制器参数集θ的调整,整定控制器,使得被控对象的输岀不断逼近期望输出。为达到上述目的,令控制器参数集θ按照下述规律变化0=0g 0其中0为第个采样时刻的控制器参数的估计值,为一个标量系数;g·称为同步扰动估计向量,且有可见该向量针对毎个需要调整的控訇器参数都具有个独立的分量。以第个分量为例(≤≤),其表达式为且有0±ΔA=△Δ.△其中为一趋于零的数列;Δ为一满足独立有界对称分布的随机数向量。基于机制的数据驱动控制器通过上述步骤,不断地调整优化控制器参数,以达到对被搾对象形成有效闭环控制的日的。该控制方法的攻收敛性可参考文献。2.,2生物激素调控规律在年提出了生物体内激素分泌的般作用规律,如下式所示式中为独立变量;为一个非负的阈值;≥为阶数。和共同决定了该函数的斜率。式所表达的生物激素调控规律可以加以改动后,作为一个嵌入式环节应用于智能协国科技论文在线同控制器的设计中,称为激素索调控单元。激素调控单元的工作原理主要包括:对控制器的原始输出进行放缩,可写为其中为采样周期序号;为放缩前的控制量,该控制量可以来源于闭环系统中任何形式的控制器的输出;为经放缩后的控制量;为放缩因子。按照激素调控规律计算调节量,只体方法为:B2+A△其中·为关于Δ和的激素调控规律衣达式:a、β、λ为标量系数,且其值应至少满足当△时,有·,故β一般为零;、为控制方向确定因子,它们共同保证当误差増大时,受激素调控规律增强的控制量向着增大的方向变化,以怏速抑制误差;当误差减小时,控制量朝控制量朝着减小的方向变化,以减少超调,降低被控对象输出波动。结合生物激素调节的超短反馈控制概念,上述激素调搾单元可以同超短反馈回跻结合,形成对常规控制器的优化机制。图是具有此类超短反馈激素调控单元的智能协同控制器及以其为核心形成的控制系统的小意图。该控制器包括一个常规控制器单元)、一个激素超短反馈控制单元()、一个信号合成单元()和一个信号输出单元()。用」生成主要的控制量,同时也是激素调控单元的宿主控制器。利用超短反馈回路收集上一个控制周期的控制量输出作为式中的,并按照式生成后反馈给接收送的和本控制周期的对象误差,并按照上述激素调控规律生成控制量的増量用于将和生成的控制量合成单一的控制量(可能包括必要的数值修正和转换)最后,含有激素调节作用的控制量通过输出至被控对象,完成控制任务制单元y2(k+1)常热控器信号输出单元Ⅴ(+1)被控对象(传感器图含有超短反馈激素调节单元的智能控制器及其系统2、3激素调控数据驱动智能控制器的实现图所示为种基于激素调控的数据驱动智能协同控制器()的控制系统国科技论文在线在其中作为控制器,负责接收系统响应并输岀控制量。整个包含个核心控制器()、一个超短反馈控制器()、一个数据驱动优化单元()、一个自适应分配单元()和一个数据收集单元()。可以是任意类型的常规控制器。为使具有可供优化的对象,需要具有可调的控制器参数。负责利用激素分泌规律和超短反馈机制为提供经过加强的控制信号,最终的控制量输出即为和的输出合成。是的关键环节,负责利用数据驱动机制对和或进行优化。负责收集系统输出并计算误差,以此决定投入控制作用的时机和强度ε同时也根据系统误差决定是否用于同时优化和,或者仅优化的作用是建立并维持一个只有一定长度的数据序列,其中保存有若干个控制周期的系统运行数据(包括对象输出、控制量输山等),用于支持进行基于数据驱动的优化计算数据驱动智能控器参考输入赵妇反控剂器楼心控制控对冢千话应分配单亓款护驱动价化单元数打收集兰兀传感器图系统结构图图所示的是个具有多个可优化部分的智能控制器。依照可优化部分的不同选择,可衍生出的不同实现。()含有自适应控制器的)。在中,一个可调参数的控制器作为进行主导控制量计算,同时它也是的优化对象,而是参数定不可优化的,在其中充当“加速器”的角色()含有可调激素调控单元的)。同类似也包含一个参数可调的控制器和一个参数不可调的控制器,只是在这里作为可调单元而作为不可调单元。()完全可调的)。将上述和相结合,使和均为参数可调的控制单元,即形成完全可调的。该形式的是基于激素调控的数据驱动智能协同控制器的完全形式,具有比部分可调的或更大的灵活性。在上述三种的基本算法中,需要在数据收集过程之后、优化之前进行优化对象的选择。这个仁务是由完成的,用以判断的输出在何种条件下应当合并到的输出中去,从而整个的输出可表示为这里为第个控制周期最终的输出量;是该控制周期内,由生成的控制量;为该控制周期内,由生成的控制量;为该控制周期内的系统误差;ε为一个预定义的误差阈值。除了决定投入控制作用的控制量类型外,也负责国科技论文在线计算和的控制强度,因此式可以推广为≤E+B>≥这里α和β称之为强度系数。实际上,这两个系数也可作为控制器的可调参薮,由负责优化。固定它们的主要目的在于防止需要优化的参数过多,引起整个系统的输出震荡3实验与结果分析31应用背景恒张力拉伸是工业化纤维生产中的常见步骤,其目的是利用不同转速的牵伸辊使初生纤维按照一定倍率在轴向上伸长。为了获得直径均匀的纤维,需要保证纤维在牵伸过程中所受到的张力恒定。图为一个典型的纤维恒张力拉伸系统。该系统包括三个牵伸辊和,待牵伸的纤维沿着“的顺序依次通过每个牵伸辊,完成牵伸工序。称为自由牵伸辊(自由辊),其作用是从上一道工序引入待拉仲的纤维,同时对纤维提供必要的支撑。称为运动牵伸辊〈运动辊),可以通过改变其驱动电机的转速来调节辊速。和的位置都是固定的。称为浮动牵仲辊,其位置在和的中间偏下。浮动辊的位置可以沿垂直方向上下移动(有限制),从而调节纤维在牵伸过程中所受到的张力。同时连接着一台自整角机,二者之间通过皮惜传动。这样,的轴心同自整角机的轴心连线与水平方向的夹角即可以测出,记为尸,尸是上下浮动距离的量度。尸被测出后,即被传送到中玦控制器,控制器根据该甪度信号计算岀相应的速度输出搾制量并传输给运动辊从而调节的转速。转速的变化会导致缠绕在其上的纤维所受张力发生变化,继而带动的位置上下浮动,形成一个完整的反馈控制系统。通过这样一套反馈机制,中央控制器即可完成对纤维牵伸过程的恒张力控制。在稳态情况卜,浮动辊的位置一般是不变的,这样连接在其上的自整角机所传回的角度信号也是稳定的,整个系统处于止常运行状态下。但由于是部分浮动的(垂直方向上),且其转速和位置由被牵伸的纤维所影响,因此不可避免地会受到各种干扰(如纤维表面的不同摩擦条件等),导致的位置偏离其正常工作位置。迸过上面所述的反馈控制系统,中央控制器可以及时对的速度进行调节,从而使回复其正常工作位置。图为该恒张力控制系统的控制框图,该系统的设备参数如表所示。待伸纤维,R1驱动旦机远变器R3控制器交送器转换器图碳纤维恒张力系统组成国科技论文在线放大系数(K(s))参考输入控制器逆变器电机浮动辊(s)G()X()自整角机H(s图纤维恒张力系统的控制系统结构表恒张力系统参数配萓参数值值山图可以得到该恒张力控制系统的闭环传递函数为并有和。注意式中的是该系统的参考输入,其值为表小浮动辊的稳态工作位置应当同其连接的自整角机轴心在同一水平线上(同水平线的夹角为)。是的实际转速,也是十扰可能作用的位置,其稳态值为转分。还需注意的是,此处提供了该系统的精确传递函数,但下面所应用的数据驱动控制器并不需要这个传递函数。提供它的目的是为了方便地得出系统的输入和响应32实验设计实验分别利用四种不同的控制器来对该系统进行控制,即和作为对照的仅嵌入了数据驱动机制的控制器。每个控制器实验都包括如下两部分将待检验的控制器作为上述恒张力控制系统的中央控制器,建立系统并使其从静止运动到稳定工作状态的速度为转分,该阶段从系统启动开始持续秒。在第秒时,改变浮动辊的速度为转分(相当于的干扰力度)等待系统再次恢复稳态。该阶段从干扰加入起计算,持续秒。整个实验过程所使用的采样时间(亦为控制周期)为秒,每种控制器的初始参数如表所示(在和中应用的控制器的参数已经被预先由机制优化完成,以使四种控制器的基本配置一致)。在实验中,系统的超调星绝对值()和调节时间作为两个主要性能指标被记求下来注意此处使用的是超调量的绝对值而非通常意文下的超调量(),是因为该系统的参考输入(的浮动角度)为,无法按照超调量的定义进行计算(为方便叙述,下文仍将此绝对超调量称之为超调量)。国科技论文在线表用于实验的控制器参数-控制器类型,m参数SPSA-PIDP-typeU-trnePU-type33实验结果及分析图是恒张力控制系统在四种控制器的控制作用下分别产生的系统响应,错误!未找到引用源。列出了相应的系统性能指标(绝对超调量和调节吋间),错误!未找到引用源。是各和控制器在τ作过程中所获得的经优化的参数配置。所有控制器均可将系统从静止带入稳定工作状态,且都能达到预先设定的参考工作点。从响应由线上看,仅使用自适应的同的响应曲线类似,但二者在参数优化方面则有明显的不所获得的比例系数和微分系数比仅使用札制优化的控制器要小得多,这是由」引入了激素调控的单元,其生成的控制量能够补偿作为核心控制器的控制单元的不足,因而使能够在较小参数軋置的情况下,其控制器整体仍能够达到较咼的输岀性能。从性能指标上看,较之于的超调量略有减小,但其调节时间相应增加了秒表四和控制器控制下的系统性能指标控制器类型性能指标SPSA-PIDP-typeypePU-type表四种控制器的优化参数配置控制器类型参数SPSA-PIDP-typeU-typePU-type国科技论文在线SFSA-PPIc-adaptive [DCIC10TimesUFC-adaptive DDC CPID-UFC-adaptive DDCIC50Time/smeis图四种控制器控制下的系统响应4结论木文基」生物体的激素调控原迣和超短反馈调节机制,结合数据驱动控制思想,提出了种基于激素调控超短反馈的数据驱动智能协同控制器,并将其应用在纤维制造过程牵伸上艺的恒张力控制系统中。实验结果衣明,由于数据驱动杋制的引入,所提岀的智能协同控制器对于控制模型未知的被控对象,较之常规控制器具有更好的稳定性。得益于激素调控超短反馈机制的引入,以所提出的智能协同控制器为核心的控制系统的超调量和调节时间等控制系统指标均可得到改善。参考文献|( eferences)国科技论文在线