一種控制器異步切換的間歇過程最小運行時間控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信息技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種控制器異步切換的間歇過程最小運行時 間控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為多品種、小批量、高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)的首要選擇，間歇過程在我國工業(yè)生產(chǎn)體 系中占有很高比例。間歇過程通過一個批次一個批次的重復(fù)生產(chǎn)得到大量相同產(chǎn)品，使得 間歇過程具有一定重復(fù)特性;在不同批次間，間歇過程的動態(tài)特性不是完全重復(fù)的，因而其 動態(tài)具有沿批次內(nèi)快速演變和在批次間慢速演變的二維特性。
[0003] 在每個批次內(nèi)，間歇過程通過多個階段的加工生產(chǎn)產(chǎn)品，具有多階段特性。由于目 的不同及過程特性不同等原因，各階段模型的維數(shù)可能是不同的。運行至不同階段時，間歇 過程及控制器會發(fā)生切換，而當(dāng)控制器的切換未能及時跟蹤過程的切換時，間歇過程中某 些被控變量會發(fā)生很大的逃逸，甚至?xí)?dǎo)致間歇過程運行不穩(wěn)定。另一方面，在實際的間歇 過程中，各階段的運行時間大多是通過實際經(jīng)驗或估計得到，這在一定程度上延長了間歇 過程所需要的運行時間，給間歇過程的高效運行帶來了本質(zhì)困難。在已有理論研究中，未出 現(xiàn)針對控制器切換滯后于過程切換的研究及在此情況下關(guān)于各階段運行時間的研究，僅有 一些關(guān)于相鄰階段切換條件及切換時間的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種控制器異步切換的間歇過程最小 運行時間控制方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中間歇過程運行時間長，高效運行存在困難的問題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0006] 步驟1:根據(jù)間歇過程各階段的離散狀態(tài)空間模型，建立間歇過程的混雜狀態(tài)空間 模型；
[0007] 間歇過程的混雜狀態(tài)空間模型由式(2)表示：
[0008]
C2)
[0009] 式中，k表示間歇過程所處批次，t表示間歇過程在批次內(nèi)所處的運行時刻;Tk表示 第讓批次生產(chǎn)的運行時間；x(t，k)，u(t，k)，y(t，k)，ω (t，k)分別代表對比次t時刻的系統(tǒng)狀 態(tài)、系統(tǒng)輸入、系統(tǒng)輸出，外部擾動;〇(1，1〇6{1，2，一，？}代表間歇過程的切換信號，表示間 歇過程在批次k的時刻t發(fā)生切換，具體的取值表示所處階段，p表示間歇過程在一個批次內(nèi) 總的階段數(shù);心(^)、8。(^)、(：。(^)分別為相應(yīng)于所處階段狀態(tài)空間模型的系統(tǒng)狀態(tài)矩陣、控 制矩陣、輸出矩陣，均為已知適維矩陣;為未知外部擾動；Ω( ·，·）表示相鄰兩 階段的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)；
[0010] 多階段間歇過程可以看做一個切換系統(tǒng)，每一個階段對應(yīng)一個子系統(tǒng)，當(dāng)間歇過 程運行至不同階段，相應(yīng)的子系統(tǒng)被激活，可將式(2)改寫為式(3):
[0011] [ λ，(< + !·k) = A，x，k) + B，lt，k) (3:)
[y'{tJi) = Cx' {t,k)
[0012] 其中，i表示間歇過程所處階段，11(、1〇，111(11〇, 71(11〇為階段1所對應(yīng)子系統(tǒng) 的系統(tǒng)狀態(tài)、控制輸入、系統(tǒng)輸出;A1，B 1，C1分別表不階段i所對應(yīng)子系統(tǒng)狀態(tài)空間模型中的 系統(tǒng)矩陣、控制矩陣及輸出矩陣；
[0013] 步驟2 :基于間歇過程的重復(fù)特性和二維特性，設(shè)計二維迭代學(xué)習(xí)控制器，并針對 由式(2)表示的間歇過程的混雜狀態(tài)空間模型構(gòu)建間歇過程的二維增廣模型，進而得到間 歇過程的二維閉環(huán)混雜狀態(tài)空間模型；
[0014] 步驟3 :針對間歇過程的二維閉環(huán)混雜狀態(tài)空間模型，利用平均駐留時間方法，求 出使系統(tǒng)具有最優(yōu)控制性能的控制器增益及穩(wěn)定階段的最小駐留時間和不穩(wěn)定階段的最 大駐留時間，進而米取提前切換策略。
[0015] 有益效果：間歇過程是一個多階段生產(chǎn)并經(jīng)過重復(fù)運行得到產(chǎn)品的過程，運行至 不同階段時過程會發(fā)生切換，若控制器的切換滯后于過程的切換則會導(dǎo)致系統(tǒng)的狀態(tài)產(chǎn)生 較大逃逸;另一方面，各階段運行時間長短直接影響間歇過程生產(chǎn)效率。本發(fā)明針對間歇過 程的多階段特性、重復(fù)特性及二維特性，設(shè)計二維迭代學(xué)習(xí)控制器，在將多階段間歇過程 看作切換系統(tǒng)的基礎(chǔ)上確定二維形式的切換序列。本專利所涉及的控制方法在保證間歇過 程控制性能最優(yōu)前提下可使間歇過程的穩(wěn)定子系統(tǒng)的平均駐留時間最小，減少不必要的過 程運行時間；同時可以求得不穩(wěn)定子系統(tǒng)的最大平均駐留時間，進而采取提前切換措施，進 而減小控制器切換滯后于過程切換造成的系統(tǒng)狀態(tài)逃逸，同時可以進一步減少運行時間， 可以減少時間成本，大幅提尚生廣效率，有效促進我國間歇工業(yè)中的尚效生廣運行。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明一種實施方式的一種控制器異步切換的間歇過程最小運行時間控制 方法流程圖；
[0017] 圖2(a)為本發(fā)明一種實施方式注塑過程控制器滯后時提前切換2步后的第6個批 次的系統(tǒng)輸出圖；圖2(b)為本發(fā)明一種實施方式注塑過程控制器滯后時提前切換2步后的 第10個批次的系統(tǒng)輸出圖；圖2(c)為本發(fā)明一種實施方式注塑過程控制器滯后時提前切換 2步后的第15個批次的系統(tǒng)輸出圖；
[0018] 圖3(a)為本發(fā)明一種實施方式注塑過程控制器滯后時未提前切換的30個批次的 模腔壓力實時值圖；圖3(b)為本發(fā)明一種實施方式注塑過程控制器滯后時提前切換2步的 30個批次的模腔壓力實時值圖；
[0019] 圖4為本發(fā)明一種實施方式的30個批次的注塑過程跟蹤性能與切換時間圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作詳細(xì)說明。
[0021] 本實施方式的多階段間歇過程的最小運行時間控制方法，控制系統(tǒng)流程圖如圖1 所示，包括以下步驟：
[0022] 步驟1:根據(jù)間歇過程各階段的離散狀態(tài)空間模型，建立間歇過程的混雜狀態(tài)空間
[0024] (1) 豐旲型；[0023] 問啟:i寸?欠階段的狀本空問爐沏由報加忒m的商散爐沏表示。
[0025] 式中，k表示間歇過程所處批次，t表示間歇過程在批次內(nèi)所處的運行時刻;Tk表示 第讓批次生產(chǎn)的運行時間；x(t，k)，u(t，k)，y(t，k)，ω (t，k)分別代表對比次t時刻的系統(tǒng)狀 態(tài)、系統(tǒng)輸入、系統(tǒng)輸出，外部擾動;f(x(t，k)，u(t，k)，t)、h(x(t，k)，u(t，k))表示與x(t, k)和u(t ,k)有關(guān)的函數(shù)。
[0026] 根據(jù)（1)式表示的間歇過程各個階段的狀態(tài)空間模型，基于間歇過程的多階段特 性，構(gòu)建其混雜狀態(tài)空間模型，由式(2)表示：
[0027]
(2)
[0028]其中，〇^1〇6{1，2，-_，？}代表間歇過程的切換信號，表示間歇過程在批次沾勺時 亥Ijt發(fā)生切換，具體的取值表示所處階段，P表示間歇過程在一個批次內(nèi)總的階段數(shù);Ac^.k)、 分別為相應(yīng)于所處階段狀態(tài)空間模型的系統(tǒng)狀態(tài)矩陣、控制矩陣、輸出矩陣， 均為已知適維矩陣;為未知外部擾動；Ω( ·，·）表示相鄰兩階段的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函 數(shù)；
[0029] 將(2)式所表示的多階段間歇過程看作切換系統(tǒng)進行研究，每一個階段對應(yīng)切換 系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，當(dāng)間歇過程運行至不同階段時，相應(yīng)的子系統(tǒng)就被激活。在無外部擾動 情況下，可將(2)式改寫為(3)式，
[0030]
(3)
[0031] 其中，i表示間歇過程所處階段，11(、1〇，111(11〇, 71(11〇為階段1所對應(yīng)子系統(tǒng) 的系統(tǒng)狀態(tài)、控制輸入、系統(tǒng)輸出;A1，B 1，C1分別表不階段i所對應(yīng)子系統(tǒng)狀態(tài)空間模型中的 系統(tǒng)矩陣、控制矩陣及輸出矩陣；
[0032]步驟2 :基于間歇過程的重復(fù)特性和二維特性，設(shè)計二維迭代學(xué)習(xí)控制器，并針對 由式(3)表示的間歇過程的切換系統(tǒng)模型構(gòu)建間歇過程的二維增廣模型，進而得到間歇過 程的二維閉環(huán)混雜狀態(tài)空間模型;具體包括：
[0033]步驟2.1:為解決由式(3)表示的間歇過程的控制問題，設(shè)計二維迭代學(xué)習(xí)控制器， 如式(4)所示：
[0034] Xiic：u1(t,k)=u1(t,k-l)+r1(t,k): (u1(t,0)=0,t=0,1,2,··· ,Ti,i = U,-·· φ}) (4) 其中，i^Lk)表示批次k階段i的控制器;1\表示階段i的運行時間;uUt，0)為初始迭代控制 器，設(shè)為〇;ρα，ιο為待設(shè)計的階段i的迭代學(xué)習(xí)更新律。
[0035]步驟2.2:針對控制器的切換滯后于過程切換的情況，分析間歇過程的切換過程， 給出間歇過程的二維閉環(huán)狀態(tài)空間模型；
[0036]針對控制器的切換滯后于過程切換情況，將間歇過程由階段i開始至階