對于電液伺服試驗系統(tǒng)中的多變量試驗控制對象,采用小波變換[1,2]和文獻[3]所提出的解耦控制結(jié)合“參征器”的復合控制策略,可有效地解除耦合影響和控制啟動、干擾和控制對象、方式改變對控制產(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)試驗裝置。

1電液伺服多變量控制試驗裝置簡介

1·1控制對象

試驗裝置的控制對象是9個作動器,這是一個9*3的多變量系統(tǒng)。對應每個作動器中,均有位移、力和應變?nèi)齻€被控變量。這9個作動器中間存在著耦合關(guān)系,各個參量之間相互影響。例如一個作動器力、位移的增加和應變的變化,總是影響著另一個作動器力、位移的減少和應變的變化。該系統(tǒng)中,雖然變量相互關(guān)聯(lián),但每個輸出變量總是有一個基本通道,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。

1·2測量采樣環(huán)節(jié)

應變、力傳感器為應變電阻,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

伺服作動器的執(zhí)行器伺服閥均為電動調(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現(xiàn)。學生通過計算機進行“組態(tài)”和“參數(shù)設置”,即通過自由編程來完成電液伺服多變量系統(tǒng)試驗過程控制。

2電液伺服多變量控制試驗裝置的設計與實現(xiàn)

2·1設計原理

電液伺服系統(tǒng)是典型的機-電-液耦合系統(tǒng),具有復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)錯開控制原理,采用小波變換和文獻[3]所述方法,提出一種“主控制器”結(jié)合“參征器”的復合控制策略,來實現(xiàn)電液伺服試驗系統(tǒng)的多變量控制。小波變換的作用主要是實現(xiàn)信噪分離,及獲取PID神經(jīng)元網(wǎng)絡和辨識網(wǎng)絡的輸入特征量:輸出反饋信號的模值和尺度的模局部極值矢量。錯開控制原理,即將整個控制系統(tǒng)分為多個獨立的控制閉環(huán)來考慮,采取分目標調(diào)節(jié)期望值的策略,只要它們各自的調(diào)節(jié)機構(gòu)單獨工作時可使系統(tǒng)穩(wěn)定,整個系統(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,被控對象反饋信號及pid神經(jīng)元網(wǎng)絡輸出控制量。子控制器的輸出有內(nèi)部辨識網(wǎng)絡的輸出,對n個被控對象控制輸入,以及為pid神經(jīng)元網(wǎng)絡提供的輸入特征量:輸入給定,反饋信號小波變換模值,尺度3~尺度6上的小波變換模局部極值矢量。

主控器由多個并列子網(wǎng)絡組成,如果檢測系統(tǒng)有n個被控變量,子網(wǎng)絡就有n個。每個子網(wǎng)絡由一個三層PID神經(jīng)元網(wǎng)絡構(gòu)成,其各層神經(jīng)元個數(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小波變換結(jié)果,根據(jù)所提取的網(wǎng)絡輸入特征量信息,結(jié)合PID控制規(guī)律的基本原則和已有經(jīng)驗確定的。子網(wǎng)絡的輸入層至隱層是相互獨立的。隱含層有3個神經(jīng)元,其中包括1個比例元、1個積分元和1個微分元,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PID神經(jīng)元網(wǎng)絡結(jié)合為一體;網(wǎng)絡的n個輸出值為通過對應子控制器對n個變量的控制輸入。子控制器主要為主控器提供輸入特征量,對被控對象的輸出反饋信號進行小波變換及特征提取、網(wǎng)絡辨識等數(shù)據(jù)處理;參征器的作用是根據(jù)子控制器內(nèi)部辨識網(wǎng)絡的控制輸出命令,對對應被控對象進行補償控制。

2·2控制原則

當偏差較小,或被調(diào)節(jié)量離給定值較近且正在快速接近給定值時,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;當偏差較大或被調(diào)量快速遠離給定值時,則在主控制器加大輸出控制的同時,根據(jù)偏差和偏差變化,由參征器中施加適當?shù)目刂屏恳钥刂票徽{(diào)節(jié)量返回給定值,保證系統(tǒng)響應的快速性,抑制干擾和其它情況的影響;對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)其對應反饋信號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)及算法設計

根據(jù)文獻[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[3](1)式同;根據(jù)文獻[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。

對應子網(wǎng)絡神經(jīng)元的傳遞函數(shù)采用S形函數(shù);每個子網(wǎng)絡輸出層節(jié)點數(shù)目為1個。因為采用S形函數(shù),理想輸出值設置為0·1。

本文包含PID神經(jīng)元網(wǎng)絡和多變量對象在內(nèi)的主控制器,采用誤差后向傳播的學習算法。學習的目標是使:

為最小。式中rp為系統(tǒng)給定值, yp為系統(tǒng)輸出值;m為每批采樣點數(shù), n為被控變量個數(shù)。

按梯度法調(diào)節(jié)主控制器PID神經(jīng)元網(wǎng)絡權(quán)值[5]。

學習步長的選取,采用Lyapunov穩(wěn)定性原理確保系統(tǒng)收斂的學習步長范圍。

當PID神經(jīng)元網(wǎng)絡的學習步長η滿足:

權(quán)值調(diào)整算法:

保證控制系統(tǒng)在學習過程中收斂。其中W表示PID神經(jīng)元網(wǎng)絡的連接權(quán)值ωsij和ω′sij,J由式(2)確定。

2·4仿真實例

如前所述,所研制的實驗裝置控制的作動器實際為9個,為便于描述,及簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),以3個作動器的仿真來表征這一多變量系統(tǒng)的控制過程?？刂茖ο鬄橐浑娨核欧Y(jié)構(gòu)加載試驗系統(tǒng)。使用3個作動器分別從正面,背面和側(cè)面對一鋼筋混凝土構(gòu)件進行靜力加載試驗。這一強耦合的非線性對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的傳遞函數(shù),k為采樣時刻。

給定輸入激勵為:

這時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”對其進行控制。每個子控制器計算步長為600μs內(nèi)等間隔采樣完3個通道,每通道連續(xù)采樣8點數(shù)據(jù)。學習步長η=0·1,每批采樣點數(shù)m=768。

為了實現(xiàn)對3個作動器的聯(lián)合控制,每一變量作動器的反饋信號通過一個子控制器進行前述數(shù)據(jù)預處理后,與輸入給定一起送入主控制器內(nèi)的對應子網(wǎng)絡輸入層節(jié)點。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)每個子控制器向主控制器對應子網(wǎng)絡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)絡訓練的結(jié)果通過子控制器對該控制系統(tǒng)中的其中一個作動器進行一次控制調(diào)節(jié)。子控制器通過辨識網(wǎng)絡對小波變換的結(jié)果分析檢測到被控對象處于控制啟動、受到干擾或控制對象發(fā)生改變時,則在主控制器對該被控變量實施控制的同時,啟動參征器輸出頻率10kHz,幅度足夠的參征信號,對該被控變量實施補償控制。由于加入的參征信號,實現(xiàn)了類似積分的作用,從而達到抑制平衡點鄰域小范圍內(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)的最高動態(tài)響應頻率為200Hz (5ms),即系統(tǒng)的給定控制信號頻率在0~200Hz,因此, 600μs的調(diào)節(jié)(控制)頻率可以滿足系統(tǒng)動態(tài)響應的要求。這樣,經(jīng)過幾個采樣周期以后,即可達到對系統(tǒng)實施穩(wěn)定控制的目的。

用給定輸入激勵分別訓練網(wǎng)絡96次以后,系統(tǒng)對輸入給定為25kN的輸出響應如圖2 (a)所示;網(wǎng)絡訓練成功后,輸出載荷分別為20kN、25kN、30kN時的靜力加載控制曲線如圖2 (b)所示;學習的前25步中的系統(tǒng)誤差平方均值衰減曲線如圖2 (c)所示;控制對象由剛性負載變?yōu)槿嵝载撦d時,輸出載荷為30kN時的靜力加載控制曲線如圖2 (d)所示。

圖2 (a)、(b)分別從動態(tài)和靜態(tài)說明當某一個加載靜力的給定值從0變到目標值20kN,或25kN,或30kN作階躍擾動時,其余2個的耦合影響較小,而且三者都很快達到穩(wěn)定狀態(tài);圖2 (c)、(d)說明在控制初期、干擾影響、控制對象或方式改變時,由于加入?yún)⒄餍盘枌υ摫豢刈兞繉嵤┭a償控制,實現(xiàn)了類似積分的作用,從而達到抑制平衡點鄰域小范圍內(nèi)振蕩的目的,消除可能引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定,使得網(wǎng)絡學習過程中的誤差單調(diào)遞減,未陷入局部極小點,能明顯降低切換點的擾動,使系統(tǒng)運轉(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：中國計量測控網(wǎng)