一種多通道自適應型控制器的設計

一種多通道自適應型控制器的設計

為了提高鑄造材料的質(zhì)量和產(chǎn)量，越來越多的國有礦山在連通式鑄造線上配備了磁電攪拌裝置。電磁攪拌設備由電磁攪拌器本體和相應的電氣控制系統(tǒng)所組成,攪拌器本體的作用就像異步電動機的定子,鋼液相當于電動機的轉(zhuǎn)子。當攪拌器的線圈通以交流電時,旋轉(zhuǎn)的磁場在鋼液內(nèi)部產(chǎn)生感應電流,感應電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力,使鋼液得到電磁攪拌。通常,連鑄生產(chǎn)線以多流同時澆鑄拉坯的形式生產(chǎn)鑄坯。流與流之間形式上同時澆拉,實質(zhì)上相對獨立。因此,研制的電磁攪拌控制系統(tǒng)采用了一臺下位計算機同時控制多流的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)生產(chǎn)要求,在鑄坯拉速穩(wěn)定的情況下,要求電磁攪拌頻率和攪拌力矩均能穩(wěn)定在工藝要求的給定值上,以保證鑄坯質(zhì)量的穩(wěn)定。因此,在構(gòu)建數(shù)字式電磁攪拌控制模式1數(shù)據(jù)處理能力的實現(xiàn)電磁攪拌控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,電磁攪拌驅(qū)動器是基于SPWM的交直交變頻電源,由于在SPWM環(huán)節(jié)采用了專用控制芯片SA866在圖1所示的IPC內(nèi),一臺工業(yè)控制計算機綜合管理與控制n流電磁攪拌器。除必須的I/O,D/A和A/D硬件板卡外,各流的控制模塊均由軟件實現(xiàn),因此,充分發(fā)揮了IPC的強大數(shù)據(jù)處理能力。盡可能地用“軟模塊”取代傳統(tǒng)的硬件控制設備,使系統(tǒng)具有較高的可靠性與性價比,具體內(nèi)容包括:(1)用IPC“內(nèi)裝式軟PLC”代替硬PLC,配合I/O接口板,實現(xiàn)對電磁攪拌控制系統(tǒng)的開關(guān)量控制、故障報警等功能,支持梯形圖形式的邏輯編程及故障診斷;(2)用神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器實現(xiàn)對電磁攪拌器力矩電流的閉環(huán)控制。由圖1可知,上述軟設備相對每流是獨立配置的。盡管只用一臺IPC,但用戶要求所控各流之間是獨立無關(guān)的,即每流的工作是獨立的,啟、停某一流與其他流當前狀態(tài)無關(guān),某一流產(chǎn)生故障不會影響其他流的正常運行。為滿足應用要求,無論是內(nèi)裝式軟PLC,還是神經(jīng)網(wǎng)絡PID,都必須以多通道形式實現(xiàn)。綜上,IPC的數(shù)據(jù)處理負荷較重,程序設計的難度與復雜度更高,與控制系統(tǒng)實時性要求的矛盾較為突出。本文重點介紹復雜數(shù)據(jù)處理環(huán)境下多通道神經(jīng)網(wǎng)絡PID的設計方法與實現(xiàn)技術(shù)。2單通道單神經(jīng)元pid算法神經(jīng)網(wǎng)絡PID單變量控制的常見結(jié)構(gòu)有2類:(1)基于BP(3層)神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制;(2)單神經(jīng)元PID控制。其中,BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID又根據(jù)可調(diào)參數(shù)K為了說明單神經(jīng)元PID具有學習和自適應控制的工作原理。下面介紹基于單神經(jīng)元PID的數(shù)學模型及其算法。基于單神經(jīng)元PID的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中的d(k)為性能指標控制信號,用來調(diào)整神經(jīng)元的連接權(quán)值,一般取d(k)=e(k)。設r(k)為設定值,被控對象的輸出為y(k),經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為神經(jīng)元3個輸入狀態(tài)量x其中,K為神經(jīng)元的比例系數(shù),K>0。神經(jīng)元通過關(guān)聯(lián)搜索來產(chǎn)生的控制信號u(k)為其中,其中,K若在單神經(jīng)元控制器中引入輸出誤差平方的二次型性能指標,設指標函數(shù)為為了使式(2)中的連接權(quán)系數(shù)其中,η對上述算法進行規(guī)范化整理后,可得到如下學習算法:綜合式(1)和式(6)就能得到單通道單神經(jīng)元PID算法。圖3描述了算法的流程,其中,U3系統(tǒng)語言編寫為了對多流攪拌器進行自適應控制,需要將神經(jīng)網(wǎng)絡PID設計成多通道形式運行。本文基于匯編的面向?qū)ο笤O計法為:將神經(jīng)元PID控制器抽象成類,將反映控制器屬性的各項參數(shù)以及迭代過程中需要用到的中間變量等作為類的屬性,將圖3表示的算法定義成函數(shù),作為類的方法。然后實例化該類以生成對象或?qū)ο髷?shù)組,若系統(tǒng)同時控制n流,則對象個數(shù)設定為n即可。系統(tǒng)控制程序被設計成前后臺結(jié)構(gòu)。背景程序負責系統(tǒng)初始化、提供用戶操作接口及系統(tǒng)狀態(tài)顯示等任務,采用C++高級語言編寫。前臺程序主體為一中斷服務程序,每采樣周期內(nèi)執(zhí)行一次,負責處理系統(tǒng)各項實時任務,如各流被控電流的數(shù)據(jù)采集、開關(guān)量輸入/輸出數(shù)據(jù)處理以及神經(jīng)PID控制算法等,采用匯編語言編寫。由于匯編語言通常不直接支持面向?qū)ο缶幊?因此上述面向?qū)ο笤O計思想可以利用匯編支持的“結(jié)構(gòu)”、“數(shù)組”、“指針”(間接尋址)等機制間接實現(xiàn)。為了用匯編語言模擬面向?qū)ο蠓椒ㄖ械摹俺橄蟆备拍?實現(xiàn)數(shù)據(jù)、方法的封裝,通過分析驗證了如下方法的可行性:(1)類的屬性用struct來定義;(2)類的方法用帶參數(shù)宏或proc過程來定義,作為類方法的宏或過程中至少包括一個能尋址自己屬性結(jié)構(gòu)的指針參量;(3)類的構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)同樣通過定義類的特別方法來實現(xiàn)。本系統(tǒng)中,多通道控制器的構(gòu)造代碼如程序段1~程序段5所示。程序段1神經(jīng)網(wǎng)絡PID數(shù)據(jù)抽象(類)程序段2電磁攪拌器數(shù)據(jù)抽象(類)程序段3N流電磁攪拌器實例(對象數(shù)組)程序段4PID調(diào)節(jié)器算法(帶參數(shù)宏)NPIDMACROS,t//S:攪拌器所屬的神經(jīng)PID始地址;t:系統(tǒng)采樣周期(ms)程序段5在中斷服務程序中對多流控制的循環(huán)處理這里用5個程序段具體描述了基于匯編程序的多通道神經(jīng)網(wǎng)絡PID的面向?qū)ο笤O計法。限于篇幅,略去了細節(jié),但給出了相對完整的程序結(jié)構(gòu)框架。4系統(tǒng)控制方案的改進(1)本文將面向?qū)ο蟮木幊趟枷胗脜R編語言實現(xiàn),通過抽象與封裝神經(jīng)網(wǎng)絡控制器算法的數(shù)據(jù),乃至進一步對單流攪拌器的數(shù)據(jù)進行抽象與封裝,有效降低了程序設計的復雜性,使結(jié)構(gòu)清晰、層次清楚。(2)匯編代碼較高級語言簡潔緊湊、執(zhí)行效率高,滿足了運動控制系統(tǒng)的實時性要求。(3)本文的方法為系統(tǒng)控制方案的改進提供了便利的可維護性,筆者所進行的研發(fā)工作已從中受益。因為只要改變控制器類的封裝內(nèi)容,即控制算法,即可完全改變系統(tǒng)的多通道控制方案。例如筆者首先實現(xiàn)了傳統(tǒng)的PID控制,后來是變結(jié)構(gòu)PID,現(xiàn)在是神經(jīng)元PID,以后還可能嘗試B