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對(duì)于電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)中的多變量試驗(yàn)控制對(duì)象,采用小波變換[1,2]和文獻(xiàn)[3]所提出的解耦控制結(jié)合“參征器”的復(fù)合控制策略,可有效地解除耦合影響和控制啟動(dòng)、干擾和控制對(duì)象、方式改變對(duì)控制產(chǎn)生的影響,提高控制質(zhì)量。為此我們研制了多變量控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置。 1電液伺服多變量控制試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介 1·1控制對(duì)象 試驗(yàn)裝置的控制對(duì)象是9個(gè)作動(dòng)器,這是一個(gè)9*3的多變量系統(tǒng)。對(duì)應(yīng)每個(gè)作動(dòng)器中,均有位移、力和應(yīng)變?nèi)齻€(gè)被控變量。這9個(gè)作動(dòng)器中間存在著耦合關(guān)系,各個(gè)參量之間相互影響。例如一個(gè)作動(dòng)器力、位移的增加和應(yīng)變的變化,總是影響著另一個(gè)作動(dòng)器力、位移的減少和應(yīng)變的變化。該系統(tǒng)中,雖然變量相互關(guān)聯(lián),但每個(gè)輸出變量總是有一個(gè)基本通道,即某一輸入變量必定通過某一基本通道影響某一輸出變量,即輸入與輸出變量配對(duì)。 1·2測(cè)量采樣環(huán)節(jié) 應(yīng)變、力傳感器為應(yīng)變電阻,位移為采用變壓器原理的傳感器,它們經(jīng)A/D模塊,轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 1·3執(zhí)行器 伺服作動(dòng)器的執(zhí)行器伺服閥均為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,都為數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出的數(shù)字量經(jīng)D/A模塊,轉(zhuǎn)換成模擬量(0~10V)來控制的。 1·4微機(jī)電液伺服控制器(數(shù)字調(diào)節(jié)器) 數(shù)字調(diào)節(jié)器包括子控制器、主控制器和“參征”補(bǔ)償控制器,其不同控制規(guī)律,均由數(shù)字控制器編制的程序來實(shí)現(xiàn)。學(xué)生通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行“組態(tài)”和“參數(shù)設(shè)置”,即通過自由編程來完成電液伺服多變量系統(tǒng)試驗(yàn)過程控制。 2電液伺服多變量控制試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2·1設(shè)計(jì)原理 電液伺服系統(tǒng)是典型的機(jī)-電-液耦合系統(tǒng),具有復(fù)雜非線性和不確定性特性。在多變量電液伺服控制系統(tǒng)中,某一個(gè)通道的控制調(diào)節(jié)器輸出的控制量將成為其它通道的調(diào)節(jié)器的干擾,所以,根據(jù)錯(cuò)開控制原理,采用小波變換和文獻(xiàn)[3]所述方法,提出一種“主控制器”結(jié)合“參征器”的復(fù)合控制策略,來實(shí)現(xiàn)電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)的多變量控制。小波變換的作用主要是實(shí)現(xiàn)信噪分離,及獲取PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)的輸入特征量:輸出反饋信號(hào)的模值和尺度的模局部極值矢量。錯(cuò)開控制原理,即將整個(gè)控制系統(tǒng)分為多個(gè)獨(dú)立的控制閉環(huán)來考慮,采取分目標(biāo)調(diào)節(jié)期望值的策略,只要它們各自的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)單獨(dú)工作時(shí)可使系統(tǒng)穩(wěn)定,整個(gè)系統(tǒng)也總是保持在穩(wěn)定域內(nèi)。 “主控制器”結(jié)合“參征器”的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1中,子控制器的輸入有輸入給定r,被控對(duì)象反饋信號(hào)及pid神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)輸出控制量。子控制器的輸出有內(nèi)部辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)的輸出,對(duì)n個(gè)被控對(duì)象控制輸入,以及為pid神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)提供的輸入特征量:輸入給定,反饋信號(hào)小波變換模值,尺度3~尺度6上的小波變換模局部極值矢量。 主控器由多個(gè)并列子網(wǎng)絡(luò)組成,如果檢測(cè)系統(tǒng)有n個(gè)被控變量,子網(wǎng)絡(luò)就有n個(gè)。每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)三層PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,其各層神經(jīng)元個(gè)數(shù)、連接方式、連接權(quán)初值以及控制參數(shù)的調(diào)整是基于被控過程的反饋信號(hào)小波變換結(jié)果,根據(jù)所提取的網(wǎng)絡(luò)輸入特征量信息,結(jié)合PID控制規(guī)律的基本原則和已有經(jīng)驗(yàn)確定的。子網(wǎng)絡(luò)的輸入層至隱層是相互獨(dú)立的。隱含層有3個(gè)神經(jīng)元,其中包括1個(gè)比例元、1個(gè)積分元和1個(gè)微分元,它們的狀態(tài)函數(shù)分別為上、下限幅的比例、積分和微分函數(shù)。隱含層至輸出層是相互交叉連接的,使整個(gè)PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)合為一體;網(wǎng)絡(luò)的n個(gè)輸出值為通過對(duì)應(yīng)子控制器對(duì)n個(gè)變量的控制輸入。子控制器主要為主控器提供輸入特征量,對(duì)被控對(duì)象的輸出反饋信號(hào)進(jìn)行小波變換及特征提取、網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)等數(shù)據(jù)處理;參征器的作用是根據(jù)子控制器內(nèi)部辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)的控制輸出命令,對(duì)對(duì)應(yīng)被控對(duì)象進(jìn)行補(bǔ)償控制。 2·2控制原則 當(dāng)偏差較小,或被調(diào)節(jié)量離給定值較近且正在快速接近給定值時(shí),則由主控制器施加較小的控制量(某范圍內(nèi)控制量可為零),保證系統(tǒng)具有足夠高的控制精度和穩(wěn)定性能;當(dāng)偏差較大或被調(diào)量快速遠(yuǎn)離給定值時(shí),則在主控制器加大輸出控制的同時(shí),根據(jù)偏差和偏差變化,由參征器中施加適當(dāng)?shù)目刂屏恳钥刂票徽{(diào)節(jié)量返回給定值,保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性,抑制干擾和其它情況的影響;對(duì)于某一控制瞬間受多閉環(huán)之間互擾影響的其它非控變量,則根據(jù)其對(duì)應(yīng)反饋信號(hào)小波變換模值大小和尺度3-尺度6上模局部極值極性、幅度,下一次調(diào)節(jié)時(shí)取模值變化最大,模局部極值矢量表現(xiàn)特征最明顯者優(yōu)先調(diào)節(jié),并根據(jù)其模值、尺度上模局部極值極性、幅度大小,確定給定控制量的大小或方向。 2·3輸入輸出函數(shù)及算法設(shè)計(jì) 根據(jù)文獻(xiàn)[3],隱層各神經(jīng)元的輸入函數(shù)為: 式中:i=1,2,…,6,ωsij、xsi、s、i、j、k的含義與文獻(xiàn)[3](1)式同;根據(jù)文獻(xiàn)[3],式(2)、(3)、(4)及式(5)可分別獲得比例元、積分元、微分元的狀態(tài)及隱含層各神經(jīng)元的輸出。 對(duì)應(yīng)子網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元的傳遞函數(shù)采用S形函數(shù);每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)目為1個(gè)。因?yàn)椴捎肧形函數(shù),理想輸出值設(shè)置為0·1。 本文包含PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和多變量對(duì)象在內(nèi)的主控制器,采用誤差后向傳播的學(xué)習(xí)算法。學(xué)習(xí)的目標(biāo)是使: 為最小。式中rp為系統(tǒng)給定值, yp為系統(tǒng)輸出值;m為每批采樣點(diǎn)數(shù), n為被控變量個(gè)數(shù)。 按梯度法調(diào)節(jié)主控制器PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)權(quán)值[5]。 學(xué)習(xí)步長(zhǎng)的選取,采用Lyapunov穩(wěn)定性原理確保系統(tǒng)收斂的學(xué)習(xí)步長(zhǎng)范圍。 當(dāng)PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)步長(zhǎng)η滿足: 
權(quán)值調(diào)整算法: 保證控制系統(tǒng)在學(xué)習(xí)過程中收斂。其中W表示PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值ωsij和ω′sij,J由式(2)確定。
2·4仿真實(shí)例 如前所述,所研制的實(shí)驗(yàn)裝置控制的作動(dòng)器實(shí)際為9個(gè),為便于描述,及簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),以3個(gè)作動(dòng)器的仿真來表征這一多變量系統(tǒng)的控制過程?？刂茖?duì)象為一電液伺服結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)系統(tǒng)。使用3個(gè)作動(dòng)器分別從正面,背面和側(cè)面對(duì)一鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)。這一強(qiáng)耦合的非線性對(duì)象可由以下方程描述: 
其中,非線性函數(shù)為: 
其中,v1(k),v2(k),v3(k)分別為三輸出反饋信號(hào)的傳遞函數(shù),k為采樣時(shí)刻。 給定輸入激勵(lì)為: 
這時(shí)選取輸入給定分別為20kN、25kN、30kN的加載靜力。采用三輸出的主控制器結(jié)合“參征器”對(duì)其進(jìn)行控制。每個(gè)子控制器計(jì)算步長(zhǎng)為600μs內(nèi)等間隔采樣完3個(gè)通道,每通道連續(xù)采樣8點(diǎn)數(shù)據(jù)。學(xué)習(xí)步長(zhǎng)η=0·1,每批采樣點(diǎn)數(shù)m=768。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)作動(dòng)器的聯(lián)合控制,每一變量作動(dòng)器的反饋信號(hào)通過一個(gè)子控制器進(jìn)行前述數(shù)據(jù)預(yù)處理后,與輸入給定一起送入主控制器內(nèi)的對(duì)應(yīng)子網(wǎng)絡(luò)輸入層節(jié)點(diǎn)。子控制器內(nèi)CPU采用DSP芯片TMS320F206, A/D、D/A采用16位的ADS7805和AD669高速芯片。 本系統(tǒng)的最高控制調(diào)節(jié)頻率為600μs,即600μs內(nèi)每個(gè)子控制器向主控制器對(duì)應(yīng)子網(wǎng)絡(luò)提供一次輸入特征數(shù)據(jù),主控制器根據(jù)輸入特征數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的結(jié)果通過子控制器對(duì)該控制系統(tǒng)中的其中一個(gè)作動(dòng)器進(jìn)行一次控制調(diào)節(jié)。子控制器通過辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)小波變換的結(jié)果分析檢測(cè)到被控對(duì)象處于控制啟動(dòng)、受到干擾或控制對(duì)象發(fā)生改變時(shí),則在主控制器對(duì)該被控變量實(shí)施控制的同時(shí),啟動(dòng)參征器輸出頻率10kHz,幅度足夠的參征信號(hào),對(duì)該被控變量實(shí)施補(bǔ)償控制。由于加入的參征信號(hào),實(shí)現(xiàn)了類似積分的作用,從而達(dá)到抑制平衡點(diǎn)鄰域小范圍內(nèi)振蕩的目的,消除可能引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定。由于本系統(tǒng)的最高動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率為200Hz (5ms),即系統(tǒng)的給定控制信號(hào)頻率在0~200Hz,因此, 600μs的調(diào)節(jié)(控制)頻率可以滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求。這樣,經(jīng)過幾個(gè)采樣周期以后,即可達(dá)到對(duì)系統(tǒng)實(shí)施穩(wěn)定控制的目的。 用給定輸入激勵(lì)分別訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)96次以后,系統(tǒng)對(duì)輸入給定為25kN的輸出響應(yīng)如圖2 (a)所示;網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練成功后,輸出載荷分別為20kN、25kN、30kN時(shí)的靜力加載控制曲線如圖2 (b)所示;學(xué)習(xí)的前25步中的系統(tǒng)誤差平方均值衰減曲線如圖2 (c)所示;控制對(duì)象由剛性負(fù)載變?yōu)槿嵝载?fù)載時(shí),輸出載荷為30kN時(shí)的靜力加載控制曲線如圖2 (d)所示。 圖2 (a)、(b)分別從動(dòng)態(tài)和靜態(tài)說明當(dāng)某一個(gè)加載靜力的給定值從0變到目標(biāo)值20kN,或25kN,或30kN作階躍擾動(dòng)時(shí),其余2個(gè)的耦合影響較小,而且三者都很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);圖2 (c)、(d)說明在控制初期、干擾影響、控制對(duì)象或方式改變時(shí),由于加入?yún)⒄餍盘?hào)對(duì)該被控變量實(shí)施補(bǔ)償控制,實(shí)現(xiàn)了類似積分的作用,從而達(dá)到抑制平衡點(diǎn)鄰域小范圍內(nèi)振蕩的目的,消除可能引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定,使得網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程中的誤差單調(diào)遞減,未陷入局部極小點(diǎn),能明顯降低切換點(diǎn)的擾動(dòng),使系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平滑。從而說明該文所述方法能夠?qū)崿F(xiàn)電液伺服多變量系統(tǒng)的聯(lián)合協(xié)調(diào)控制。 
摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
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