無模型自適應(yīng)控制

　　過程知識(shí)

　　下面結(jié)合燃燒過程的控制詳細(xì)討論以下五個(gè)問題，闡述無模型自適應(yīng)控制理論的精髓：

　　大多數(shù)先進(jìn)控制技術(shù)都需要對(duì)過程及其環(huán)境有較深的了解，一般用拉普拉斯變換或動(dòng)態(tài)微分方程來描述過程動(dòng)態(tài)特性。然而在過程控制領(lǐng)域，許多系統(tǒng)過于復(fù)雜，或者其內(nèi)在規(guī)律難以了解，因此很難得到過程的定量知識(shí)，這通常稱為“黑箱”問題。

　　在許多情況下，我們可能掌握了一些過程知識(shí)但是不知道這些知識(shí)是否精確。在包括燃燒控制的過程控制中，經(jīng)常碰到進(jìn)料的波動(dòng)，燃料類型和熱值的改變，下游需求不可預(yù)測(cè)的變化以及產(chǎn)品尺寸、配方、批次和負(fù)荷等頻繁的切換。這些就導(dǎo)致一個(gè)問題：即無法確定所掌握的過程知識(shí)的精確程度。這種現(xiàn)象通常被叫做“灰箱”問題。

　　如果能掌握過程的大量知識(shí)，那就是一個(gè)“白箱”問題。在這種情況下，基于對(duì)過程的了解，利用成熟的控制方法及工具設(shè)計(jì)控制器就容易多了。

　　盡管無模型自適應(yīng)控制器可以解決黑箱、灰箱和白箱問題，但更適用于灰箱問題，事實(shí)上大多數(shù)工業(yè)過程都是灰箱問題。

　　過程辨識(shí)

　　對(duì)于傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制方法，如果不能獲得過程的定量信息，一般需要采用某種辨識(shí)機(jī)制，以在線或離線的方式獲得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。由此產(chǎn)成了以下一些難以解決的問題：

　　·需要離線學(xué)習(xí)；

　　·辨識(shí)所需的不斷的激勵(lì)信號(hào)與系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的矛盾；

　　·模型收斂和局部最小值問題；

　　·系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。

　　基于辨識(shí)的控制方法不適用于過程控制的主要原因是控制和辨識(shí)是一對(duì)矛盾體。好的控制使系統(tǒng)處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，這種情況下設(shè)定值（SP）、控制器輸出（OP）和過程變量（PV）在趨勢(shì)圖中顯示出來的都是直線。任何穩(wěn)定系統(tǒng)都會(huì)達(dá)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，而其中的過程動(dòng)態(tài)特性的變化卻不能被察覺，因此通常需要施加激勵(lì)信號(hào)來進(jìn)行有效的過程辨識(shí)。然而，實(shí)際生產(chǎn)過程很難容許這樣做。

　　MFA控制系統(tǒng)中沒有辨識(shí)環(huán)節(jié)因此可以避免上述問題。一旦運(yùn)行，MFA控制器就可立刻接管控制。MFA控制器中刷新權(quán)值的算法是基于一個(gè)單一的目標(biāo)，即縮小設(shè)定值和過程變量之間的偏差。這意味著當(dāng)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，偏差接近零時(shí)，不需要對(duì)MFA控制器的權(quán)值進(jìn)行修改。

　　控制器設(shè)計(jì)

　　PID控制器仍然被廣泛使用的主要原因就在于它是一種通用型控制器，無需進(jìn)行專門的控制器設(shè)計(jì)。為特殊的應(yīng)用設(shè)計(jì)控制器需要有豐富的經(jīng)驗(yàn)。由于大多數(shù)先進(jìn)控制器是基于模型的，其通用型性不夠，所以盡管這些方法已經(jīng)有三四十年的歷史了，至今還不能在過程控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

　　MFA控制器是通用型控制器，并已經(jīng)開發(fā)出一系列MFA控制器用于控制各種問題回路。如SISOMFA控制器可直接取代PID，免去了復(fù)雜的控制器參數(shù)整定；非線性MFA控制器能控制極端非線性過程；抗滯后MFA控制器能控制大滯后過程；MIMOMFA控制器能控制多變量過程；前饋MFA控制器能抑制可測(cè)的擾動(dòng)；以及魯棒MFA控制器能迫使過程變量維持在預(yù)定的范圍。

　　MFA控制器的用戶，無需對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，只要選擇相應(yīng)的控制器并簡(jiǎn)單地設(shè)定控制器參數(shù)就可以將MFA控制器投入使用。這是無模型自適應(yīng)控制器與其它基于模型的先進(jìn)控制器的一個(gè)主要區(qū)別。

　　控制器參數(shù)整定

　　自適應(yīng)控制器不需要人工整定參數(shù)，無模型自適應(yīng)控制器真正實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。無需參數(shù)整定，MFA就能自適應(yīng)過程動(dòng)態(tài)特性的變化并克服潛在的擾動(dòng)以滿足新的操作條件。用戶友好的MFA控制器保留了一些參數(shù)允許用戶及時(shí)地調(diào)整控制效果。

　　系統(tǒng)穩(wěn)定性

　　控制系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性對(duì)于控制器是否實(shí)用是非常重要的。如果掌握了閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，就可以利用它來判斷控制系統(tǒng)能否安全地投入使用。如圖1所示，傳統(tǒng)的基于模型的自校正控制系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：控制器、過程和模型。這里模型是指可以描述過程輸出和輸入關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通常是通過辨識(shí)器來建立的。辨識(shí)器利用過程輸入輸出的數(shù)據(jù)通過一定的學(xué)習(xí)算法減小模型的偏差em（t）（PV與模型輸出y2（t）之間的偏差）。

　　符號(hào)：

　　r(t)–設(shè)定值

　　u(t)–控制器輸出

　　y(t)–過程變量

　　x(t)–過程輸出

　　d(t)–干擾

　　e(t)–偏差

　　e(t)=r(t)-y(t)

　　y2(t)–模型輸出

　　em(t)–模型偏差

　　em(t)=y2(t)-y(t)

　　在這個(gè)系統(tǒng)中，整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與過程、控制器和模型有著以下幾個(gè)方面的聯(lián)系：

　　·假設(shè)過程是穩(wěn)定的（即過程開環(huán)穩(wěn)定）；

　　·控制回路的穩(wěn)定性是由模型的收斂性來保證的；

　　·模型的收斂性需要控制回路穩(wěn)定并持續(xù)地發(fā)出激勵(lì)信號(hào)。

　　這幾個(gè)條件形成了一個(gè)難以解決的死圈。因此，基于模型的自適應(yīng)控制系統(tǒng)沒有通用的穩(wěn)定性判據(jù)。也就是說，每次使用基于模型的自適應(yīng)控制器前，不得不分析它的穩(wěn)定性。顯然，這也是使用基于模型的自適應(yīng)控制方法的一個(gè)主要技術(shù)壁壘。

　　相比之下，由于MFA不存在辨識(shí)環(huán)節(jié)，因此論證出了一個(gè)通用的系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)。即，只要是一個(gè)無源過程（本身不產(chǎn)生能量或熱量的過程），閉環(huán)MFA控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性就可以得到保證，過程可以是線性/非線性，定常/時(shí)變等等。燃燒過程時(shí)一個(gè)無源的過程，其熱量的產(chǎn)生是由燃料燃燒帶來的。

　　單回路MFA控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　單輸入單輸出（SISO）MFA控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其結(jié)構(gòu)同傳統(tǒng)的單回路控制系統(tǒng)一樣簡(jiǎn)單，包括一個(gè)單輸入單輸出過程，一個(gè)MFA控制器和一個(gè)反饋回路。

　　符號(hào)：

　　r(t)–設(shè)定值，SP

　　u(t)–控制器輸出，OP

　　y(t)–過程變量，PV

　　x(t)–過程輸出

　　d(t)–干擾

　　e(t)–偏差

　　e(t)=r(t)-y(t)

　　控制目標(biāo)

　　這種控制器的控制目標(biāo)是產(chǎn)生一個(gè)輸出u（t），迫使過程變量y（t）在設(shè)定值變化，存在擾動(dòng)和過程動(dòng)態(tài)特性改變的情況下仍然能跟蹤設(shè)定值r（t）。也就是，MFA控制器以在線的方式不斷減小設(shè)定值r（t）和過程變量y（t）之間的偏差e（t）。根據(jù)以下兩點(diǎn)使偏差e（t）最?。海╥）MFA控制器的調(diào)節(jié)控制能力；（ii）不斷調(diào)整MFA控制器的權(quán)重因子，使得控制器有能力處理過程動(dòng)態(tài)特性的改變，擾動(dòng)和其它不確定因數(shù)。

　　MFA控制系統(tǒng)沒有過程模型和辨識(shí)器。因此也沒有模型偏差em（t），只有設(shè)定值（r（t）或SP）和過程變量（y（t）或PV）之間的偏差e（t）是唯一的控制目標(biāo)。

　　MFA控制器結(jié)構(gòu)

　　一個(gè)單輸入單輸出MFA控制器的基本結(jié)構(gòu)。該控制器在設(shè)計(jì)上采用了一個(gè)多層感知器結(jié)構(gòu)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN），有一個(gè)輸入層、一個(gè)具有N個(gè)神經(jīng)元的隱含層和一個(gè)單個(gè)神經(jīng)元的輸出層。

　　在這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中有一組可以根據(jù)需要而改變的權(quán)重因子（Wij和hi），從而對(duì)控制器的行為進(jìn)行調(diào)整。更新權(quán)重因子的算法是以縮小設(shè)定值與過程變量之間的偏差為目標(biāo)。由于其效果與控制目標(biāo)是一致的，因此，采用權(quán)重因子能幫助控制器在過程動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化的時(shí)候減小偏差。

　　此外，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MFA控制器保存了一部分歷史數(shù)據(jù)，為了解過程動(dòng)態(tài)特性提供有價(jià)值的信息。相比之下，數(shù)字式PID控制器只保留當(dāng)前的和之前的2個(gè)采樣數(shù)據(jù)。在這一點(diǎn)上，PID控制器幾乎沒有任何記憶能力，而MFA擁有一個(gè)“聰明”的控制器所必需的記憶能力。

　　MFA控制系統(tǒng)的要求

　　作為一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，MFA對(duì)被控對(duì)象有以下幾點(diǎn)要求：

　　·過程對(duì)象可控；

　　·開環(huán)穩(wěn)定；

　　·正作用或反作用（過程不變方向）。

　　對(duì)于不可控的過程對(duì)象，則需要改進(jìn)過程的結(jié)構(gòu)或匹配系統(tǒng)變量。

　　對(duì)于開環(huán)不穩(wěn)定的過程對(duì)象，則需使它先穩(wěn)定下來。不過，對(duì)于某些開環(huán)不穩(wěn)定的過程，如無自衡的液位回路，使用MFA時(shí)就不需要進(jìn)行特殊的處理。

　　對(duì)于在操作范圍內(nèi)變方向的過程，則需要特殊的MFA控制器。僅需簡(jiǎn)單地配置少量的MFA控制器的參數(shù)。

　　功能配置

　　基于MFA核心控制技術(shù)，針對(duì)特殊的控制問題，設(shè)計(jì)了多種MFA控制器：[1]

　　·SISOMFA控制器（標(biāo)準(zhǔn)MFA）－取代PID，免去了復(fù)雜的控制器參數(shù)整定；

　　·非線性MFA控制器（NonlinearMFA）－控制極端非線性過程；

　　·MFApH控制器－控制pH過程；

　　·前饋MFA控制器（FeedforwardMFA）－抑制可測(cè)的擾動(dòng)；

　　·抗滯后MFA控制器（Anti-delayMFA）－控制大滯后過程；

　　·魯棒MFA控制器（RobustMFA）－迫使過程變量維持在預(yù)定的范圍；

　　·時(shí)變MFA控制器（Time-varyingMFA）－控制大慣性、滯后時(shí)間不確定的過程；

　　·抗滯后MFApH控制器（Anti-delayMFApH）－控制大致滯后的pH過程；

　　·MIMOMFA控制器（多變量MFA）－控制多變量過程。

　　通用型或針對(duì)特殊應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)的MFA控制器能很方便的嵌入于各種平臺(tái)，并且越來越多的平臺(tái)已經(jīng)能提供這些先進(jìn)的控制器，包括樓宇控制器，單回路控制器，可編程邏輯控制器（PLC），混合式控制器，過程自動(dòng)控制器（PAC），控制軟件和集散控制系統(tǒng)（DCS）等。

　　產(chǎn)品特色

　　無模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)具有如下屬性或特征：[1]

　　（1）無需精確的過程定量知識(shí)；

　　（2）系統(tǒng)中不含過程辨識(shí)機(jī)制和辨識(shí)器；

　　（3）不需要針對(duì)某一過程進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)；

　　（4）不需要復(fù)雜的人工控制器參數(shù)整定；

　　（5）具有閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和判據(jù)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　發(fā)展歷史

　　自2003年起，CyboSoft開始向工業(yè)界儀器儀表和系統(tǒng)集成的領(lǐng)頭公司提供我們最常用的控制器。MFA控制方案可用于個(gè)人計(jì)算機(jī)、堅(jiān)固儀器、可編程自動(dòng)控制器（PAC，如NI公司的CompactFieldPoint）、可編程邏輯控制器（PLC，如BristolBabcock的ClassI，Div2認(rèn)證的ControlWave），以及真正開放的基于Linux的控制器（如SIXNET的IPmDCS控制器）