專利名稱：免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法及解決滌綸工業(yè)絲卷繞系統(tǒng)控制問題的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息控制領(lǐng)域，涉及免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法及解決滌綸工業(yè)絲卷繞系統(tǒng)控制問題的設(shè)備。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有滌綸工業(yè)絲的生產(chǎn)技術(shù)和方法主要集中在一步法和兩步法兩個方面。其中一步法因為生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)出的工業(yè)絲具有高強、高模和低縮性能等優(yōu)勢而被廣泛使用。一步法包括四個基本步驟，固相聚合、熔融紡絲、拉伸熱定型以及卷繞成型，卷繞成型作為最后一個步驟，對工業(yè)絲的力學(xué)、耐熱、染色等性能起著至關(guān)重要的作用。卷繞成型的過程主要依靠于卷繞機，由于卷繞過程中，工藝變量等的不斷變化，現(xiàn)有卷繞機的模型只能部分或者片面反映出卷繞成型的特征。而這種不精確的模型，時時刻刻制約著卷繞過程控制的發(fā)展，從而滌綸工業(yè)絲的生產(chǎn)工藝發(fā)展也受到限制。與此同時，隨著測量儀表的高速發(fā)展，越來越多的生產(chǎn)、設(shè)備和過程中的數(shù)據(jù)可以被人們獲取。不依靠精確的受控系統(tǒng)模型而直接利用數(shù)據(jù)從中找到對被控過程乃至控制系統(tǒng)的描述也成為了可能，這種描述是基于數(shù)據(jù)而設(shè)計的一種控制器，這種控制器再被放入控制系統(tǒng)中，通過其獨特對數(shù)據(jù)處理的方式來優(yōu)化、預(yù)報或者評價控制。這種方式被稱為數(shù)據(jù)驅(qū)動控制。目前已有的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制策略有，去偽控制(Unfalsified Control，UC)，虛擬參考反饋整定(Virtual Reference Feedback Tuning，VRFT)，迭代反饋整定(Iterative Feedback Tuning, IFT)等。值得一提的是，現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)被廣泛使用的PID控制方法，其設(shè)計思路和工作原理也屬于數(shù)據(jù)驅(qū)動控制的范疇。實際生產(chǎn)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)驅(qū)動控制策略面對的主要問題是由于沒有精確的控制對象模型作為依托，含有該控制器的系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性等性能難以達到最佳。同時由于控制器的設(shè)計需要利用大量的在、離線數(shù)據(jù)，這其中不可避免的會包含無用乃至錯誤信息，因此如何篩選出有利數(shù)據(jù)剔除無效數(shù)據(jù)也是數(shù)據(jù)驅(qū)動控制策略需要考慮的一個話題。免疫系統(tǒng)，作為生物(特別是脊椎動物和人類)特有的一種防御機制，具有多樣性，自學(xué)習(xí)、記憶調(diào)節(jié)等特點。具有免疫功能的器官、組織、細胞、免疫效應(yīng)分子以及相關(guān)基因之間的相互作用可以對集體產(chǎn)生保護性作用，即機體可以自主識別和排除抗原性異物， 以維護整個機體的平衡和穩(wěn)定。若將整個機體看成一個控制系統(tǒng)，免疫在其中發(fā)揮著識別干擾，調(diào)節(jié)穩(wěn)定，預(yù)測監(jiān)視的作用。在此系統(tǒng)中，免疫可以抽象成一個仿生單元，通過反饋與自適應(yīng)調(diào)節(jié)來調(diào)控其它控制器的控制效果，改善系統(tǒng)動態(tài)性能。也就是說，若將免疫調(diào)控單元與含有數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器的系統(tǒng)相結(jié)合，可以與數(shù)據(jù)驅(qū)動控制效果相互補，從而改善卷繞機系統(tǒng)性能，增強對滌綸工業(yè)絲卷繞過程的控制，改善滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)中，尚未發(fā)現(xiàn)運用免疫調(diào)控的思路對數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法做出的改進或者設(shè)備。這是因為，目前沒有人運用免疫調(diào)控的思路來改進數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法?，F(xiàn)有的運用了數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法的系統(tǒng)動態(tài)性能較差。
本發(fā)明針對如何不依靠受控對象的精確模型同時能夠很好的達到系統(tǒng)的動態(tài)要求這樣一個技術(shù)問題，提出一種利用免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，并進一步把這個方法運用到滌綸工業(yè)絲卷繞過程控制的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法及解決滌綸工業(yè)絲卷繞系統(tǒng)控制問題的設(shè)備，并且利用基于免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法來解決上述背景技術(shù)中所提及的滌綸工業(yè)絲卷繞機的控制問題。本發(fā)明的免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法的免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器僅利用系統(tǒng)的輸入、輸出以及控制量的數(shù)據(jù)進行工作，通過對數(shù)據(jù)的分析，得出當(dāng)前卷繞過程的控制策略。本發(fā)明的免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法，包括三個部分建立數(shù)據(jù)驅(qū)動控制環(huán)節(jié)，得出當(dāng)前時刻的最佳控制策略；建立免疫調(diào)控環(huán)節(jié)得出控制量，根據(jù)免疫細胞反饋機理對數(shù)據(jù)驅(qū)動環(huán)節(jié)提出的所述當(dāng)前時刻的最佳控制策略進行調(diào)節(jié)，使其滿足系統(tǒng)動態(tài)性能要求；將所述免疫調(diào)控環(huán)節(jié)得出的控制量作用于常規(guī)控制器得到所述免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法的最終輸出。所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制環(huán)節(jié)不依靠被控對象的數(shù)學(xué)模型，而僅使用該系統(tǒng)的輸入、 輸出以及控制量的數(shù)據(jù)工作，通過對數(shù)據(jù)進行分析，得出當(dāng)前時刻的控制策略。所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制環(huán)節(jié)通?？梢圆捎萌慰刂撇呗?、虛擬參考反饋整定策略、 迭代反饋整定策略及懶惰學(xué)習(xí)策略；其中去偽控制策略通過對在線離線數(shù)據(jù)的分析選出合適的常規(guī)控制器參數(shù)，虛擬參考反饋整定策略利用被控對象的輸入輸出數(shù)據(jù)直接辨識控制器參數(shù)，迭代反饋整定策略利用閉環(huán)控制系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)用梯度迭代尋優(yōu)的方法來尋找最優(yōu)控制器參數(shù)，懶惰學(xué)習(xí)策略利用一個輸入輸出數(shù)據(jù)對組成的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，來尋找到輸入與輸出的映射關(guān)系。所述的免疫調(diào)控環(huán)節(jié)包括免疫反饋單元和免疫調(diào)節(jié)單元，兩者根據(jù)免疫B細胞和 T細胞之間的反應(yīng)來進行調(diào)控免疫調(diào)節(jié)單元中，把系統(tǒng)當(dāng)前時刻誤差當(dāng)成抗原信號，B細胞接收的總刺激作為免疫調(diào)節(jié)控制量uinmUM(k)；免疫反饋單元中，當(dāng)抗原進入機體，信息被傳遞給輔助T細胞和抑制T細胞，其中抑制T細胞抑制輔助T細胞的產(chǎn)生，兩者共同作用于 B細胞，B細胞產(chǎn)生抗體來清除抗原，一段時間后，當(dāng)三種細胞的數(shù)量基本無變化，免疫調(diào)控環(huán)節(jié)達到平衡，此時B細胞接收的總刺激為免疫調(diào)控環(huán)節(jié)輸出uimmUM (k)。所述的免疫調(diào)控環(huán)節(jié)輸出uinmUM(k)作用于一個常規(guī)控制器，得到免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器輸出u (k)。具體步驟包括1)建立免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制環(huán)節(jié)免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器(3)包括數(shù)據(jù)驅(qū)動控制單元⑷、常規(guī)控制器(6)和免疫調(diào)控單元，其中免疫調(diào)控單元由免疫反饋單元(11)以及免疫調(diào)節(jié)單元(1 組成，其中被控對象參考輸入(1)與數(shù)據(jù)驅(qū)動控制單元的輸入端相連，輸出誤差( 分別與數(shù)據(jù)驅(qū)動控制單元G)、常規(guī)控制器(6)和免疫調(diào)節(jié)單元(1 的輸入端相連，被控對象實際輸出(9)與數(shù)據(jù)驅(qū)動控制單元的輸入端相連，數(shù)據(jù)驅(qū)動控制單元的輸出端與常規(guī)控制器(6) 的輸入端相連，常規(guī)控制器(6)的輸出端與免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器(3)輸出端(7)相連，免疫反饋單元(11)的輸出端與免疫調(diào)節(jié)單元(1 輸入端相連，免疫調(diào)節(jié)單元(1 的輸出端分別與常規(guī)控制器(6)和免疫反饋單元(11)的輸入端相連；以免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器為核心控制系統(tǒng)還包括被控對象(8)、反饋傳感器組(10)以及必要的信號傳遞及回路，其中被控對象參考輸入(1)接收反饋傳感器組(10)送來的被控對象(8)的輸出數(shù)據(jù)，生成被控對象輸出誤差⑵與免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器⑶的輸入端相連；免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器⑶的輸出端 (7)與被控對象(8)相連，被控對象(8)與反饋傳感器組(10)相連；2)確定免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制環(huán)節(jié)的各個參數(shù)初始值根據(jù)被控對象特點和用戶要求確定免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器參數(shù)采樣時間ts，系統(tǒng)運行總時間TotalTime，控制器總數(shù)NumController，初始控制器編號i，免疫調(diào)控單元權(quán)值 n，其中采樣時間％取值范圍為W.01，l]秒，系統(tǒng)運行總時間TotalTime取值范圍為 [100,400]秒，初始控制器編號從最后一個控制器初始，即i = NumController ；免疫調(diào)控單元權(quán)值η取值范圍為W，l]，當(dāng)Π = O時，免疫調(diào)控單元不起作用，即本發(fā)明免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器相當(dāng)于單個數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器的控制效果；3)存儲當(dāng)前數(shù)據(jù)在每個采樣周期內(nèi)，記錄該采樣周期對應(yīng)的被控對象實際輸出(9)記為y(k)、被控對象參考輸入(1)記為yjk)、常規(guī)控制器(6)輸出(7)記為u(k)以及被控對象輸出誤差(2)記為e(k)，并存儲在數(shù)據(jù)驅(qū)動控制單元中；4)進行數(shù)據(jù)驅(qū)動控制在第k個采樣周期內(nèi)，按照數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法的計算步驟，計算出該采樣周期內(nèi)， 當(dāng)前控制器的性能參數(shù)Τ_。，并因此求出數(shù)據(jù)驅(qū)動控制單元的性能指標(biāo)Jk ；所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法采用去偽控制策略、虛擬參考反饋整定策略或迭代反饋整定策略；5)進行免疫調(diào)控在第k個采樣周期內(nèi)，按照所述免疫反饋及調(diào)節(jié)兩個單元的計算步驟，計算出免疫調(diào)控單元輸出uinmUM(k)；6)將免疫反饋調(diào)控得到的控制量UimnmJk)直接作用于常規(guī)控制器，并通過與4) 中Jk相結(jié)合來調(diào)節(jié)常規(guī)控制器的控制作用得到免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器最終控制輸出u (k)，將 u (k)送至被控對象，完成對被控對象的免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制作用。作為優(yōu)選的技術(shù)方案如上所述的免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法，所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法采用去偽控制策略同時常規(guī)控制器采用PID控制器。因此，采用去偽控制策略的優(yōu)選數(shù)據(jù)驅(qū)動控制步驟為去偽控制策略在第k個采樣周期內(nèi)，按照數(shù)據(jù)驅(qū)動方法中去偽控制策略的計算步驟，設(shè)定常規(guī)控制器備選控制器集Kr，以及數(shù)據(jù)驅(qū)動控制權(quán)值濾波《工和ω2，計算出該采樣周期內(nèi)，控制器的性能參數(shù)Tspe。，并因此求出去偽控制單元的性能指標(biāo)Jk，同時常規(guī)控制器(6)采用常見的PID控制器。具體為k為當(dāng)前迭代次數(shù)，τ =k*ts為當(dāng)前時刻，σ是噪聲權(quán)值濾波，yjk)為被控對象參考輸入，y(k)為被控對象實際輸出，u (k)為常規(guī)控制器輸出；
權(quán)利要求
1. 一種免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法，其特征是建立免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制環(huán)節(jié)，得出當(dāng)前時刻的最佳控制策略；建立免疫調(diào)控環(huán)節(jié)得出控制量，根據(jù)免疫細胞反饋機理對數(shù)據(jù)驅(qū)動環(huán)節(jié)提出的所述當(dāng)前時刻的最佳控制策略進行調(diào)節(jié)，使其滿足系統(tǒng)動態(tài)性能要求；將所述免疫調(diào)控環(huán)節(jié)得出的控制量作用于常規(guī)控制器得到所述免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法的最終輸出； 具體步驟包括1)建立免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制環(huán)節(jié)免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器C3)包括數(shù)據(jù)驅(qū)動控制單元G)、常規(guī)控制器(6)和免疫調(diào)控單元，其中免疫調(diào)控單元由免疫反饋單元(11)以及免疫調(diào)節(jié)單元(1 組成，其中被控對象參考輸入(1)與數(shù)據(jù)驅(qū)動控制單元的輸入端相連，輸出誤差( 分別與數(shù)據(jù)驅(qū)動控制單元G)、常規(guī)控制器(6)和免疫調(diào)節(jié)單元(1 的輸入端相連，被控對象實際輸出(9)與數(shù)據(jù)驅(qū)動控制單元的輸入端相連，數(shù)據(jù)驅(qū)動控制單元的輸出端與常規(guī)控制器(6)的輸入端相連，常規(guī)控制器(6)的輸出端與免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器C3)輸出端(7)相連，免疫反饋單元(11)的輸出端與免疫調(diào)節(jié)單元(1 輸入端相連，免疫調(diào)節(jié)單元(1 的輸出端分別與常規(guī)控制器(6)和免疫反饋單元(11)的輸入端相連；以免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器為核心控制系統(tǒng)還包括被控對象(8)、反饋傳感器組(10)以及必要的信號傳遞及回路，其中被控對象參考輸入(1)接收反饋傳感器組(10)送來的被控對象(8)的輸出數(shù)據(jù)，生成被控對象輸出誤差( 與免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器(3)的輸入端相連；免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器(3)的輸出端(7) 與被控對象(8)相連，被控對象(8)與反饋傳感器組(10)相連；2)確定免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制環(huán)節(jié)的各個參數(shù)初始值根據(jù)被控對象特點和用戶要求確定免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器參數(shù)采樣時間ts，系統(tǒng)運行總時間TotalTime，控制器總數(shù)NumController，初始控制器編號i，免疫調(diào)控單元權(quán)值η， 其中采樣時間％取值范圍為
秒，系統(tǒng)運行總時間TotalTime取值范圍為[100， 400]秒，初始控制器編號從最后一個控制器初始，即i = NumController ；免疫調(diào)控單元權(quán)值η取值范圍為W，1]，當(dāng)Π =0時，免疫調(diào)控單元不起作用，即本發(fā)明免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器相當(dāng)于單個數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器的控制效果；3)存儲當(dāng)前數(shù)據(jù)在每個采樣周期內(nèi)，記錄該采樣周期對應(yīng)的被控對象實際輸出(9)記為y(k)、被控對象參考輸入⑴記為yjk)、常規(guī)控制器(6)輸出(7)記為u(k)以及被控對象輸出誤差(2) 記為e(k)，并存儲在數(shù)據(jù)驅(qū)動控制單元中；4)進行數(shù)據(jù)驅(qū)動控制在第k個采樣周期內(nèi)，按照數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法的計算步驟，計算出該采樣周期內(nèi)，當(dāng)前控制器的性能參數(shù)Τ_。，并因此求出數(shù)據(jù)驅(qū)動控制單元的性能指標(biāo)Jk ；所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法采用去偽控制策略、虛擬參考反饋整定策略、迭代反饋整定策略或懶惰學(xué)習(xí)策略；5)進行免疫調(diào)控在第k個采樣周期內(nèi)，按照所述免疫反饋及調(diào)節(jié)兩個單元的計算步驟，計算出免疫調(diào)控單元輸出 immune(k)；6)將免疫反饋調(diào)控得到的控制量UimmmJk)直接作用于常規(guī)控制器，并通過與4)中 Jk相結(jié)合來調(diào)節(jié)常規(guī)控制器的控制作用得到免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器最終控制輸出u (k)，將u (k)送至被控對象，完成對被控對象的免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法采用去偽策略以及常規(guī)控制器采用PID控制算法，具體包括數(shù)據(jù)驅(qū)動控制步驟和免疫調(diào)控步驟，其中，采用去偽策略的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制步驟為在第k個采樣周期內(nèi)，按照數(shù)據(jù)驅(qū)動方法中去偽控制策略的計算步驟，設(shè)定常規(guī)控制器備選控制器集Kr，以及數(shù)據(jù)驅(qū)動控制權(quán)值濾波0^和ω2，計算出該采樣周期內(nèi)，控制器的性能參數(shù)Tspe。，并因此求出去偽控制單元的性能指標(biāo)Jk，同時常規(guī)控制器(6)采用常見的 PID控制器。具體為數(shù)據(jù)驅(qū)動控制權(quán)值濾波Q1和《2需要滿足
3. 一種根據(jù)權(quán)利要求1的免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法解決滌綸工業(yè)絲卷繞系統(tǒng)控制問題的設(shè)備，其特征是卷繞機06)通過卷繞系統(tǒng)輸出回路(38)連接到反饋檢測模塊(37)，并通過反饋回路 (36)接到計算模塊(35)，計算模塊(3 通過雙向回路二(3 連接上位機(32)，計算模塊 (35)通過誤差回路(34)輸出至免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器模塊(30)，免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器模塊 (30)還通過雙向回路一(31)連接上位機(32)，免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器模塊(30)通過輸出回路二 09)連接到卷繞機(26)、通過輸出回路一 08)連接到橫動控制電機(27)，橫動控制電機(XT)控制橫動裝置05)；卷繞機06)通過卷繞系統(tǒng)輸出回路(38)連接到反饋檢測模塊(37)檢測卷繞系統(tǒng)的輸出，并通過反饋回路(36)反饋到計算模塊(35)，計算模塊(35)還通過雙向回路二(33) 連接上位機(32)，將反饋檢測模塊(37)得到的數(shù)據(jù)通過反饋回路(36)和上位機(3 通過雙向回路二(3 輸入的參考數(shù)據(jù)相比較，得到卷繞機06)的實際輸出誤差，計算模塊(35) 通過誤差回路(34)輸出至免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器模塊(30)，免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器模塊(30) 還通過雙向回路一(31)連接上位機(32)，根據(jù)上位機(3 通過雙向回路一(31)輸入的系統(tǒng)在線和離線數(shù)據(jù)，進行免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制，免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制器模塊(30)通過輸出回路二 09)連接到卷繞機( )、通過輸出回路一 08)連接到橫動控制電機(27)，橫動控制電機(27)控制橫動裝置0 ；橫動裝置0 與卷繞機06) —起對滌綸工業(yè)絲04)的卷繞過程進行控制。
全文摘要
本發(fā)明屬于信息控制領(lǐng)域，涉及免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法及解決滌綸工業(yè)絲卷繞系統(tǒng)控制問題的設(shè)備。本發(fā)明的免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法結(jié)合了數(shù)據(jù)驅(qū)動控制機理和生物調(diào)節(jié)機制，能夠在被控對象精確模型未知的情況下，實施閉環(huán)控制；當(dāng)給出理想的控制效果時，該控制方法能夠快速利用閉環(huán)系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù)，并通過這些數(shù)據(jù)來對系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)驅(qū)動控制，同時在免疫調(diào)控的作用下滿足系統(tǒng)的動態(tài)性能要求。本發(fā)明的解決滌綸工業(yè)絲卷繞系統(tǒng)控制問題的設(shè)備，配置為采用免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法，由于卷繞機的精確模型未知且用戶對系統(tǒng)的動態(tài)要求又較高，從而采用配置了免疫數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法的設(shè)備來進行控制。
文檔編號G05B13/04GK102298327SQ20111019183
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月10日
發(fā)明者丁永生, 王樂之, 王華平, 郝礦榮 申請人:東華大學(xué)