一种化工批次过程容错迭代学习控制方法

1、说 明 书一种化工批次过程容错迭代学习控制方法技术领域本发明属于自动化工业过程控制领域，涉及到一种新型化工批次过程容错迭代学习控制方法。背景技术随着工业的发展，批次过程控制广泛应用于化工、医药、生物制品、现代农业等领域。但由于产品需求增加导致批次生产处于超负荷生产状态，从而会出现执行器故障的问题，如果不能及时有效地解决这个问题，不但会导致生产过程性能降低，还会造成严重的财产损失，甚至威胁到生产人员的安全。从安全性和性能的角度出发，研究一种批次过程容错控制方法是很有必要的。发明内容本发明目的是当化工批次过程中执行器出现故障时,提出一种新型的容错迭代学习控制方法。该方法首先建立化工批次过程的模型，

2、并引入状态误差和输出误差，然后针对两个具体过程之间的切换条件进行分析，得到最优更新律和控制量。不同于传统的控制策略，本发明所提出的新型控制策略考虑到了执行器出现故障的情况。通过对切换过程的控制保证系统具有更好的控制性能。本发明的技术方案是通过模型建立、控制器设计、算法设计等手段，设计了新型化工批次过程容错迭代学习控制方法。利用该方法可以提高系统的控制性能。本发明的方法步骤包括：步骤1、建立批次过程的时滞动态模型，具体步骤是：1-1. 建立批次过程系统状态模型，形式如下：其中t和k分别表示有限的离散时间和工作周期；表示时间延迟时间函数；、分别表示系统第k周期第t时刻、时刻、t+1时刻的状态；表示

3、系统第k周期第t时刻的输出；表示系统第k周期第t时刻控制输入；是第k个周期初始状态，其初始值为；表示第k周期第t时刻的切换信号，、都表示对应切换信号下的系统矩阵；表示第k周期第t时刻切换信号时的外部干扰。1-2.多阶段批次过程在第i阶段的系统模型形式如下：、分别表示第k周期第i阶段t时刻的状态、控制输入、系统输出；、分别表示第k周期第i阶段t+1时刻、时刻的状态；、表示第i阶段具有适当维数的系统矩阵；表示第k周期第i阶段t时刻的外部干扰。1-3.当执行器出现部分故障时的控制量输入形式如下：其中是第k周期第i阶段t时刻存在故障时的控制量输入，是第i阶段具有适当维数的系统对角矩阵。1-4.由步骤1

4、-2和步骤1-3得到新的状态模型：1-5.设计相邻两个阶段之间的状态切换模型：其中是第i阶段的状态转移矩阵，是第k周期第i阶段的切换时间，是第k周期第i阶段时刻的状态；是第k周期第i+1阶段时刻的状态。1-6.由以上步骤可以得到整个批次过程的状态切换模型：其中q是批次过程的最后阶段；是连接第周期第1阶段结束和第周期第2阶段开始的点，是连接第周期第q阶段结束和第周期第1阶段开始的点；是连接第周期第1阶段结束和第周期第2阶段开始的点，是连接第周期第q阶段结束和第周期第1阶段开始的点；是连接第周期第q阶段结束和第周期第1阶段开始的点，是连接第周期第q阶段结束和第周期第1阶段开始的点。步骤2、设计批次

5、过程控制器，具体步骤是：2-1.首先设计迭代控制量：其中表示第k-1周期第i阶段t时刻的控制量输入，第k周期t时刻的更新律，是第i阶段系统的初始控制量输入。2-2.定义状态误差和输出误差：其中、分别是是第k周期第i阶段t时刻的状态误差、系统输出误差；是第k-1周期第i阶段t时刻的状态，是第i阶段延迟后的输出。2-3.由步骤2-1和2-2可以进一步得到扩展的控制系统：其中、分别为第k周期第i阶段t+1时刻、t时刻、时刻的扩展状态；是第周期第i阶段第t+1时刻的扩展状态，是第k-1周期第i阶段t+1时刻的扩展状态，表示第k周期第i阶段t时刻的扩展干扰，h和i是具有适当维数的单位矩阵；是第k周期第i

6、阶段t时刻扩展的状态向量；、是常数矩阵；、分别是第k周期第i阶段t时刻的两个增量。2-4.系统在切换时的状态模型为： 其中表示第i+1阶段的系统矩阵，表示第k周期第i阶段第时刻状态误差，表示第k-1周期第i阶段第时刻的状态，、表示第k周期第i+1和i阶段系统第时刻输出误差，表示第i+1阶段延迟后的输出。2-5.由步骤2-3和步骤2-4可得更新律如下：其中,是第i阶段的两个增益系数。 2-6.结合步骤2-1到步骤2-5可以得到化工批次过程最优控制律并作用于被控对象。具体实施方式以注塑成型工艺为例：步骤1、建立注塑成型过程时滞动态模型，具体步骤是：1-1.建立注塑成型过程系统模型形式如下：其中t和

7、k分别表示有限的离散时间和工作周期；是时间延迟函数；、分别表示注塑成型阶段第k周期t时刻、时刻、t+1时刻的注塑成型的系统状态；表示第k周期t时刻的喷嘴压力；表示第k周期t时刻注塑成型的阀门开度；是第k个周期初始状态，其初始值为,表示第k周期t时刻的切换信号，、都表示对应切换信号下的系统矩阵；表示注塑成型第k周期t时刻切换信号时的外部干扰。1-2.注塑成型过程在第i阶段的系统状态模型如下：、分别表示第k周期第i阶段t时刻的注塑成型的系统状态、阀门开度、喷嘴压力；、分别表示第k周期第t+1、第时刻的注塑成型的系统状态；、表示注塑阶段具有适当维数的系统矩阵；表示第k周期第i阶段t时刻的外部干扰。1

8、-3.当执行器出现部分故障时的阀门开度：其中是第k周期第i阶段t时刻存在故障时的阀门开度，是第i阶段具有适当维数的系统对角矩阵。1-4. 由步骤1-2和步骤1-3得到新的注塑成型的状态模型：1-5.设计相邻两个阶段之间的状态切换模型：其中是第i阶段的状态转移矩阵，是第k周期第i阶段的切换时间，是第k周期第i阶段时刻注塑成型的系统状态；是第k周期第i+1阶段时刻注塑成型的系统状态。1-6. 注塑成型过程的切换序列模型如下：其中q是批次过程的最后阶段，是连接第周期第1阶段结束和第周期第2阶段开始的点，是连接第周期第q阶段结束和第周期第1阶段开始的点；是连接第周期第1阶段结束和第周期第2阶段开始的点

9、，是连接第周期第q阶段结束和第周期第1阶段开始的点；是连接第周期第q阶段结束和第周期第1阶段开始的点，是连接第周期第q阶段结束和第周期第1阶段开始的点。步骤2、设计注塑成型过程的容错迭代学习控制器，具体步骤是：2-1. 首先设计注塑成型过程比例阀的阀门开度：其中表示第k-1周期第i阶段t时刻比例阀的阀门开度，是第k周期第t时刻的迭代更新律，是比例阀的阀门开度的初始值。2-2.定义注塑成型过程的状态误差和输出误差：其中、分别是第k周期第i阶段t时刻注塑成型的状态误差、输出误差；是第k-1周期第i阶段t时刻注塑成型的状态，是第i阶段延迟后的喷嘴压力。2-3.由步骤2-1和2-2可以进一步得到扩展的控制系统：其中、分别为第k周期第i阶段t+1时刻、t时刻、时刻注塑过程的扩展状态；是第k周期第i阶段t时刻扩展的注塑过程状态向量；是第周期第i阶段第t+1时刻注塑过程的扩展状态，是第k-1周期第i阶段t+1时刻注塑成型过程的扩展状态，表示第k周期第i阶段t时刻的扩展干扰，h和i是具有适当维数的单位矩阵；、是常数矩阵； 、分别是第k周期第i阶段t时刻的两个增量。2-4.系统在切换时的状态模型为： 其中表示注塑成型的系统矩阵，表示第k周期第i阶段第时刻注塑成型的状态误差，表示第k-1周期第i阶段第