一種化工批次過程容錯(cuò)迭代學(xué)習(xí)控制方法

1、說 明 書一種化工批次過程容錯(cuò)迭代學(xué)習(xí)控制方法技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明屬于自動(dòng)化工業(yè)過程控制領(lǐng)域，涉及到一種新型化工批次過程容錯(cuò)迭代學(xué)習(xí)控制方法。背景技術(shù)隨著工業(yè)的發(fā)展，批次過程控制廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、生物制品、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。但由于產(chǎn)品需求增加導(dǎo)致批次生產(chǎn)處于超負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)，從而會(huì)出現(xiàn)執(zhí)行器故障的問題，如果不能及時(shí)有效地解決這個(gè)問題，不但會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過程性能降低，還會(huì)造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失，甚至威脅到生產(chǎn)人員的安全。從安全性和性能的角度出發(fā)，研究一種批次過程容錯(cuò)控制方法是很有必要的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是當(dāng)化工批次過程中執(zhí)行器出現(xiàn)故障時(shí),提出一種新型的容錯(cuò)迭代學(xué)習(xí)控制方法。該方法首先建立化工批次過程的模型，

2、并引入狀態(tài)誤差和輸出誤差，然后針對兩個(gè)具體過程之間的切換條件進(jìn)行分析，得到最優(yōu)更新律和控制量。不同于傳統(tǒng)的控制策略，本發(fā)明所提出的新型控制策略考慮到了執(zhí)行器出現(xiàn)故障的情況。通過對切換過程的控制保證系統(tǒng)具有更好的控制性能。本發(fā)明的技術(shù)方案是通過模型建立、控制器設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)等手段，設(shè)計(jì)了新型化工批次過程容錯(cuò)迭代學(xué)習(xí)控制方法。利用該方法可以提高系統(tǒng)的控制性能。本發(fā)明的方法步驟包括：步驟1、建立批次過程的時(shí)滯動(dòng)態(tài)模型，具體步驟是：1-1. 建立批次過程系統(tǒng)狀態(tài)模型，形式如下：其中t和k分別表示有限的離散時(shí)間和工作周期；表示時(shí)間延遲時(shí)間函數(shù)；、分別表示系統(tǒng)第k周期第t時(shí)刻、時(shí)刻、t+1時(shí)刻的狀態(tài)；表示

3、系統(tǒng)第k周期第t時(shí)刻的輸出；表示系統(tǒng)第k周期第t時(shí)刻控制輸入；是第k個(gè)周期初始狀態(tài)，其初始值為；表示第k周期第t時(shí)刻的切換信號，、都表示對應(yīng)切換信號下的系統(tǒng)矩陣；表示第k周期第t時(shí)刻切換信號時(shí)的外部干擾。1-2.多階段批次過程在第i階段的系統(tǒng)模型形式如下：、分別表示第k周期第i階段t時(shí)刻的狀態(tài)、控制輸入、系統(tǒng)輸出；、分別表示第k周期第i階段t+1時(shí)刻、時(shí)刻的狀態(tài)；、表示第i階段具有適當(dāng)維數(shù)的系統(tǒng)矩陣；表示第k周期第i階段t時(shí)刻的外部干擾。1-3.當(dāng)執(zhí)行器出現(xiàn)部分故障時(shí)的控制量輸入形式如下：其中是第k周期第i階段t時(shí)刻存在故障時(shí)的控制量輸入，是第i階段具有適當(dāng)維數(shù)的系統(tǒng)對角矩陣。1-4.由步驟1

4、-2和步驟1-3得到新的狀態(tài)模型：1-5.設(shè)計(jì)相鄰兩個(gè)階段之間的狀態(tài)切換模型：其中是第i階段的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，是第k周期第i階段的切換時(shí)間，是第k周期第i階段時(shí)刻的狀態(tài)；是第k周期第i+1階段時(shí)刻的狀態(tài)。1-6.由以上步驟可以得到整個(gè)批次過程的狀態(tài)切換模型：其中q是批次過程的最后階段；是連接第周期第1階段結(jié)束和第周期第2階段開始的點(diǎn)，是連接第周期第q階段結(jié)束和第周期第1階段開始的點(diǎn)；是連接第周期第1階段結(jié)束和第周期第2階段開始的點(diǎn)，是連接第周期第q階段結(jié)束和第周期第1階段開始的點(diǎn)；是連接第周期第q階段結(jié)束和第周期第1階段開始的點(diǎn)，是連接第周期第q階段結(jié)束和第周期第1階段開始的點(diǎn)。步驟2、設(shè)計(jì)批次

5、過程控制器，具體步驟是：2-1.首先設(shè)計(jì)迭代控制量：其中表示第k-1周期第i階段t時(shí)刻的控制量輸入，第k周期t時(shí)刻的更新律，是第i階段系統(tǒng)的初始控制量輸入。2-2.定義狀態(tài)誤差和輸出誤差：其中、分別是是第k周期第i階段t時(shí)刻的狀態(tài)誤差、系統(tǒng)輸出誤差；是第k-1周期第i階段t時(shí)刻的狀態(tài)，是第i階段延遲后的輸出。2-3.由步驟2-1和2-2可以進(jìn)一步得到擴(kuò)展的控制系統(tǒng)：其中、分別為第k周期第i階段t+1時(shí)刻、t時(shí)刻、時(shí)刻的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)；是第周期第i階段第t+1時(shí)刻的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，是第k-1周期第i階段t+1時(shí)刻的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，表示第k周期第i階段t時(shí)刻的擴(kuò)展干擾，h和i是具有適當(dāng)維數(shù)的單位矩陣；是第k周期第i

6、階段t時(shí)刻擴(kuò)展的狀態(tài)向量；、是常數(shù)矩陣；、分別是第k周期第i階段t時(shí)刻的兩個(gè)增量。2-4.系統(tǒng)在切換時(shí)的狀態(tài)模型為： 其中表示第i+1階段的系統(tǒng)矩陣，表示第k周期第i階段第時(shí)刻狀態(tài)誤差，表示第k-1周期第i階段第時(shí)刻的狀態(tài)，、表示第k周期第i+1和i階段系統(tǒng)第時(shí)刻輸出誤差，表示第i+1階段延遲后的輸出。2-5.由步驟2-3和步驟2-4可得更新律如下：其中,是第i階段的兩個(gè)增益系數(shù)。 2-6.結(jié)合步驟2-1到步驟2-5可以得到化工批次過程最優(yōu)控制律并作用于被控對象。具體實(shí)施方式以注塑成型工藝為例：步驟1、建立注塑成型過程時(shí)滯動(dòng)態(tài)模型，具體步驟是：1-1.建立注塑成型過程系統(tǒng)模型形式如下：其中t和

7、k分別表示有限的離散時(shí)間和工作周期；是時(shí)間延遲函數(shù)；、分別表示注塑成型階段第k周期t時(shí)刻、時(shí)刻、t+1時(shí)刻的注塑成型的系統(tǒng)狀態(tài)；表示第k周期t時(shí)刻的噴嘴壓力；表示第k周期t時(shí)刻注塑成型的閥門開度；是第k個(gè)周期初始狀態(tài)，其初始值為,表示第k周期t時(shí)刻的切換信號，、都表示對應(yīng)切換信號下的系統(tǒng)矩陣；表示注塑成型第k周期t時(shí)刻切換信號時(shí)的外部干擾。1-2.注塑成型過程在第i階段的系統(tǒng)狀態(tài)模型如下：、分別表示第k周期第i階段t時(shí)刻的注塑成型的系統(tǒng)狀態(tài)、閥門開度、噴嘴壓力；、分別表示第k周期第t+1、第時(shí)刻的注塑成型的系統(tǒng)狀態(tài)；、表示注塑階段具有適當(dāng)維數(shù)的系統(tǒng)矩陣；表示第k周期第i階段t時(shí)刻的外部干擾。1

8、-3.當(dāng)執(zhí)行器出現(xiàn)部分故障時(shí)的閥門開度：其中是第k周期第i階段t時(shí)刻存在故障時(shí)的閥門開度，是第i階段具有適當(dāng)維數(shù)的系統(tǒng)對角矩陣。1-4. 由步驟1-2和步驟1-3得到新的注塑成型的狀態(tài)模型：1-5.設(shè)計(jì)相鄰兩個(gè)階段之間的狀態(tài)切換模型：其中是第i階段的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，是第k周期第i階段的切換時(shí)間，是第k周期第i階段時(shí)刻注塑成型的系統(tǒng)狀態(tài)；是第k周期第i+1階段時(shí)刻注塑成型的系統(tǒng)狀態(tài)。1-6. 注塑成型過程的切換序列模型如下：其中q是批次過程的最后階段，是連接第周期第1階段結(jié)束和第周期第2階段開始的點(diǎn)，是連接第周期第q階段結(jié)束和第周期第1階段開始的點(diǎn)；是連接第周期第1階段結(jié)束和第周期第2階段開始的點(diǎn)

9、，是連接第周期第q階段結(jié)束和第周期第1階段開始的點(diǎn)；是連接第周期第q階段結(jié)束和第周期第1階段開始的點(diǎn)，是連接第周期第q階段結(jié)束和第周期第1階段開始的點(diǎn)。步驟2、設(shè)計(jì)注塑成型過程的容錯(cuò)迭代學(xué)習(xí)控制器，具體步驟是：2-1. 首先設(shè)計(jì)注塑成型過程比例閥的閥門開度：其中表示第k-1周期第i階段t時(shí)刻比例閥的閥門開度，是第k周期第t時(shí)刻的迭代更新律，是比例閥的閥門開度的初始值。2-2.定義注塑成型過程的狀態(tài)誤差和輸出誤差：其中、分別是第k周期第i階段t時(shí)刻注塑成型的狀態(tài)誤差、輸出誤差；是第k-1周期第i階段t時(shí)刻注塑成型的狀態(tài)，是第i階段延遲后的噴嘴壓力。2-3.由步驟2-1和2-2可以進(jìn)一步得到擴(kuò)展的控制系統(tǒng)：其中、分別為第k周期第i階段t+1時(shí)刻、t時(shí)刻、時(shí)刻注塑過程的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)；是第k周期第i階段t時(shí)刻擴(kuò)展的注塑過程狀態(tài)向量；是第周期第i階段第t+1時(shí)刻注塑過程的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，是第k-1周期第i階段t+1時(shí)刻注塑成型過程的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，表示第k周期第i階段t時(shí)刻的擴(kuò)展干擾，h和i是具有適當(dāng)維數(shù)的單位矩陣；、是常數(shù)矩陣； 、分別是第k周期第i階段t時(shí)刻的兩個(gè)增量。2-4.系統(tǒng)在切換時(shí)的狀態(tài)模型為： 其中表示注塑成型的系統(tǒng)矩陣，表示第k周期第i階段第時(shí)刻注塑成型的狀態(tài)誤差，表示第k-1周期第i階段第