一种多通道自适应型控制器的设计

一种多通道自适应型控制器的设计

为了提高铸造材料的质量和产量，越来越多的国有矿山在连通式铸造线上配备了磁电搅拌装置。电磁搅拌设备由电磁搅拌器本体和相应的电气控制系统所组成,搅拌器本体的作用就像异步电动机的定子,钢液相当于电动机的转子。当搅拌器的线圈通以交流电时,旋转的磁场在钢液内部产生感应电流,感应电流与磁场相互作用产生电磁力,使钢液得到电磁搅拌。通常,连铸生产线以多流同时浇铸拉坯的形式生产铸坯。流与流之间形式上同时浇拉,实质上相对独立。因此,研制的电磁搅拌控制系统采用了一台下位计算机同时控制多流的系统结构。根据生产要求,在铸坯拉速稳定的情况下,要求电磁搅拌频率和搅拌力矩均能稳定在工艺要求的给定值上,以保证铸坯质量的稳定。因此,在构建数字式电磁搅拌控制模式1数据处理能力的实现电磁搅拌控制系统的体系结构如图1所示。其中,电磁搅拌驱动器是基于SPWM的交直交变频电源,由于在SPWM环节采用了专用控制芯片SA866在图1所示的IPC内,一台工业控制计算机综合管理与控制n流电磁搅拌器。除必须的I/O,D/A和A/D硬件板卡外,各流的控制模块均由软件实现,因此,充分发挥了IPC的强大数据处理能力。尽可能地用“软模块”取代传统的硬件控制设备,使系统具有较高的可靠性与性价比,具体内容包括:(1)用IPC“内装式软PLC”代替硬PLC,配合I/O接口板,实现对电磁搅拌控制系统的开关量控制、故障报警等功能,支持梯形图形式的逻辑编程及故障诊断;(2)用神经网络PID控制器实现对电磁搅拌器力矩电流的闭环控制。由图1可知,上述软设备相对每流是独立配置的。尽管只用一台IPC,但用户要求所控各流之间是独立无关的,即每流的工作是独立的,启、停某一流与其他流当前状态无关,某一流产生故障不会影响其他流的正常运行。为满足应用要求,无论是内装式软PLC,还是神经网络PID,都必须以多通道形式实现。综上,IPC的数据处理负荷较重,程序设计的难度与复杂度更高,与控制系统实时性要求的矛盾较为突出。本文重点介绍复杂数据处理环境下多通道神经网络PID的设计方法与实现技术。2单通道单神经元pid算法神经网络PID单变量控制的常见结构有2类:(1)基于BP(3层)神经网络的PID控制;(2)单神经元PID控制。其中,BP神经网络的PID又根据可调参数K为了说明单神经元PID具有学习和自适应控制的工作原理。下面介绍基于单神经元PID的数学模型及其算法。基于单神经元PID的控制系统结构如图2所示。图2中的d(k)为性能指标控制信号,用来调整神经元的连接权值,一般取d(k)=e(k)。设r(k)为设定值,被控对象的输出为y(k),经转换器转换成为神经元3个输入状态量x其中,K为神经元的比例系数,K>0。神经元通过关联搜索来产生的控制信号u(k)为其中,其中,K若在单神经元控制器中引入输出误差平方的二次型性能指标,设指标函数为为了使式(2)中的连接权系数其中,η对上述算法进行规范化整理后,可得到如下学习算法:综合式(1)和式(6)就能得到单通道单神经元PID算法。图3描述了算法的流程,其中,U3系统语言编写为了对多流搅拌器进行自适应控制,需要将神经网络PID设计成多通道形式运行。本文基于汇编的面向对象设计法为:将神经元PID控制器抽象成类,将反映控制器属性的各项参数以及迭代过程中需要用到的中间变量等作为类的属性,将图3表示的算法定义成函数,作为类的方法。然后实例化该类以生成对象或对象数组,若系统同时控制n流,则对象个数设定为n即可。系统控制程序被设计成前后台结构。背景程序负责系统初始化、提供用户操作接口及系统状态显示等任务,采用C++高级语言编写。前台程序主体为一中断服务程序,每采样周期内执行一次,负责处理系统各项实时任务,如各流被控电流的数据采集、开关量输入/输出数据处理以及神经PID控制算法等,采用汇编语言编写。由于汇编语言通常不直接支持面向对象编程,因此上述面向对象设计思想可以利用汇编支持的“结构”、“数组”、“指针”(间接寻址)等机制间接实现。为了用汇编语言模拟面向对象方法中的“抽象”概念,实现数据、方法的封装,通过分析验证了如下方法的可行性:(1)类的属性用struct来定义;(2)类的方法用带参数宏或proc过程来定义,作为类方法的宏或过程中至少包括一个能寻址自己属性结构的指针参量;(3)类的构造函数和析构函数同样通过定义类的特别方法来实现。本系统中,多通道控制器的构造代码如程序段1~程序段5所示。程序段1神经网络PID数据抽象(类)程序段2电磁搅拌器数据抽象(类)程序段3N流电磁搅拌器实例(对象数组)程序段4PID调节器算法(带参数宏)NPIDMACROS,t//S:搅拌器所属的神经PID始地址;t:系统采样周期(ms)程序段5在中断服务程序中对多流控制的循环处理这里用5个程序段具体描述了基于汇编程序的多通道神经网络PID的面向对象设计法。限于篇幅,略去了细节,但给出了相对完整的程序结构框架。4系统控制方案的改进(1)本文将面向对象的编程思想用汇编语言实现,通过抽象与封装神经网络控制器算法的数据,乃至进一步对单流搅拌器的数据进行抽象与封装,有效降低了程序设计的复杂性,使结构清晰、层次清楚。(2)汇编代码较高级语言简洁紧凑、执行效率高,满足了运动控制系统的实时性要求。(3)本文的方法为系统控制方案的改进提供了便利的可维护性,笔者所进行的研发工作已从中受益。因为只要改变控制器类的封装内容,即控制算法,即可完全改变系统的多通道控制方案。例如笔者首先实现了传统的PID控制,后来是变结构PID,现在是神经元PID,以后还可能尝试B