染色過程溼度優化控制方法

2023-12-01 11:34:21 1

專利名稱：：染色過程溼度優化控制方法
技術領域：
：本發明屬於信息
技術領域：
，涉及一種染色過程中通過控制冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值來實現溼度優化控制的方法，可用於印染行業。
背景技術：
：隨著現代印染技術的進一步發展，印染企業對染色工藝合成品質量要求越來越高。而染色過程的車間空氣溼度對坯布染色顏色的色度值影響很大，而現今印染企業的染色車間空氣溼度控制主要採用開環控制，急開急停，容易導致二通閥閥門損壞，也容易導致染色過程車間空氣溼度控制精度不高，最終導致坯布染色顏色色度值誤差很大，不適合印染企業信息化發展的要求。
發明內容本發明的目的就是針對由開環控制來控制染色車間空氣溼度的不足，提供一種染色過程溼度優化控制方法。本發明方法採用DPC和PID補償控制方法相結合的二步控制法。考慮了實際控制信號滯後對控制效果的影響，首先在坯布染色過程開始的時候，採用基於階梯式動態矩陣預測控制方法DPC進行控制，當染色車間空氣溼度為4060%時採用PID控制方法進行補償控制，通過適當調整比例、積分和微分這三個參數，可以提高染色車間空氣溼度控制精度。本發明方法首先通過階梯式動態矩陣預測控制方法(DPC)對冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值進行控制；當染色車間空氣溼度為4060%時採用PID控制方法對冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值進行補償控制。所述的DPC控制方法的具體步驟是a.建立預測模型，具體方法是以冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值為輸入控制量，以溼度傳感器採集到的染色車間空氣溼度值為輸出量，建立基於最小二乘法的離散差分形式的受控自回歸滑動平均時滯模型(CARMA)；A(z_1)y(k)=B(ζ—1)u(k)+C(ζ—1)u(k_h(k))其中y(k)表示染色車間空氣溼度值，u(k)表示控制輸入變量，u(k-h(k))表示控制輸入變量的時滯，A(Z4KB(P)和C(P)表示通過辨識得到的已知的實參數矩陣；y(k)=[yi(k),y2(k),-yn(k)]T;Yi(k)eRnX1,i=1,2,-η；u(k)=[u1(k),u2(k),u3(k)]T,u1(k)eRmxl,U2(k)eRmX1,u3(k)eRmxl；其中Ul(k)表示冷水二通閥閥門開度值，u2(k)表示加熱二通閥閥門開度值，U3(k)表示蒸汽二通閥閥門開度值，在染色過程中，通過控制冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值來實現染色車間空氣溼度控制；nanblieA(z~l)=\+J^alZ-1,B(Z^x)=Y^biZ-',C(z~l)=^clZ'1；/=1/=1/=]其中，ai、bi和Ci表示需要辨識的模型參數，na、nb和nc表示採樣個數；b.通過z反變換，把上述模型轉化成基於脈衝響應傳遞函數的非參數化模型，即染色車間空氣溼度值預測模型formulaseeoriginaldocumentpage6formulaseeoriginaldocumentpage6formulaseeoriginaldocumentpage6formulaseeoriginaldocumentpage6其中義,(々+1)表示k+1時刻預測模型的輸出染色車間空氣溼度值，N為建模時域，u(k+l-l)表示k+1-l時刻的控制輸入變量，u(k-h(k)+l-t)表示k+1-t時刻控制輸入變量的時滯，gl和st表示通過辨識得到的已知的實參數矩陣；B(z'')formulaseeoriginaldocumentpage6其中formulaseeoriginaldocumentpage6formulaseeoriginaldocumentpage6其中formulaseeoriginaldocumentpage6其中，gi和~表示通過辨識得到的已知的實參數矩陣；c.修正預測輸出，實現反饋校正。具體方法如下比較實際輸出和預測模型輸出，構建預測模型誤差，通過對誤差加權的方式來修正對未來輸出的預測，實現對下一步預測輸出的反饋校正。預測輸出幻可以表示為formulaseeoriginaldocumentpage6誤差。其中P為預測時域，Pi(i=1,2,…p)為預測模型誤差的權值，e(k)為預測模型formulaseeoriginaldocumentpage6d.建立性能指標，進行在線的滾動優化。通過將反饋校正後的預測染色車間空氣溼度輸出值與實際的染色車間空氣溼度參考值進行比較，建立輸出預測誤差和控制量加權的二次型性能指標，描述如下formulaseeoriginaldocumentpage6其中tR+i3)表示染色車間空氣溼度的輸出預測值，乙(k+P)表示染色車間空氣溼度的參考軌跡值，P表示預測時域，M表示控制時域，Q和R表示溫度預測輸出誤差和控制量的加權矩陣，預測誤差&(幻=yp(k)-yr(k)。Yp(k+p)=[yp(k+l),yp(k+2),…yp(k+p)J·,Yr(k+p)=[yr(k+l),yr(k+2)，...yr(k+p)]T；Q=Cliaglq1,q2,...qn}，R=λE=diag{λ」λ2，λ3};E為單位矩陣；AU(k+M-l)=[Au(k-M+1),Au(k-M+2),...Au(k_l)]T;其中_^=|^/眾),免/眾),...，大/眾)]7，&(眾片貧'>(1，土=1,2,-η；yr=[ylr(k),y2r(k),...，ynr(k)]T，yir(k)eRnX1，i=1，2，-n；e.得出最優控制律。具體方法是考慮了實際控制信號滯後對控制效果的影響，在最小化性能指標過程中，採用階梯式動態矩陣控制方法來計算最優控制律。最優控制律σ描述如下B'q[y(k+p)-GAU(k+M-I)-SAU[k-h{k)+M-\)-pe{k)\其中Y為控制量呈階梯式變化的變化係數，B=G[l，Y,-γ""1]1,Au(k)=σ。f.容許控制集的建立。採集染色過程中的冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值數據，用歐式空間對其進行時滯控制度量，建立容許控制集Ω，描述如下Ω={h(k)eR10<h(k)<h}其中h(k)表示時變時滯，h表示時滯上界；把σ與容許控制集相比較，如果σ在容許控制集內，則停止計算，此時，σ就是最優的控制輸入；否則，通過從容許控制集中加入新息u(k+Ι)，對染色車間空氣溼度值預測模型進行修正，從步驟b重新開始循環；所述的PID補償控制方法表示如下)=kp⑷+·辦⑷+吾χ[…H「眾-1)]}其中，預測誤差=yp(k)-yr{k)，kp為比例係數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，ΔT為時間間隔。調節比例係數kP使得染色車間空氣溼度值輸出上升時間減小；調節積分時間常數Ti使得染色車間空氣溼度值輸出超調量減小，系統振蕩減小，控制精度提高；調節微分時間常數Td使得染色車間空氣溼度值輸出調節時間減小，系統響應時間更快。本發明方法中的DPC控制方法是一個控制循環方法，是閉環控制，可以根據控制要求，不斷進行反饋校正，最終得到最優的閥門開度值；整個染色過程染色車間空氣溼度控制過程實現閉環反饋控制，既保證了染色車間空氣溼度的穩定性，也滿足了企業節能的要求；在坯布染色過程開始的時候，採用DPC控制方法，可消除控制信號滯後對控制效果的影響，同時使得過渡過程平穩。當染色車間空氣溼度為4060%時採用PID控制方法進行補償控制，可以通過適當調整比例、積分與微分三個參數，提高系統動態響應品質與控制精度，從而使得整個響應時間變短，超調減小，誤差降低。採用DPC和PID相結合的二步控制法，解決了因開關控制的急開急停的特點而導致的閥門損壞問題，延長了二通閥的使用年限，提高染色車間空氣溼度控制精度。具體實施例方式染色車間空氣溼度控制方法，當染色車間空氣溼度大於60%或小於40%的時候採用階梯式動態矩陣預測控制方法(DPC)對冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值進行控制，具體實施步驟如下(1)以冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值為輸入控制量，溼度傳感器採集到的染色車間空氣溼度值為輸出量，建立基於最小二乘法的離散差分形式的受控自回歸滑動平均時滯模型(CARMA)；A(z_1)y(k)=B(ζ—1)u(k)+C(ζ—1)u(k_h(k))(2)通過Z反變換，把上述模型轉化成基於脈衝響應傳遞函數的非參數化模型，即染色車間空氣溼度值預測模型NNformulaseeoriginaldocumentpage8(3)由於實際存在模型失配、環境幹擾等未知因素，預測模型輸出值有可能偏離實際值，所以需要修正預測輸出，實現反饋校正。具體方法如下比較實際輸出和預測模型輸出，構建預測模型誤差，通過對誤差加權的方式來修正對未來輸出的預測，實現對下一步預測輸出的反饋校正。預測輸出大,(幻可以表示為formulaseeoriginaldocumentpage8(4)給定參考軌跡Yjk+P)，將反饋校正後的預測輸出值和參考軌跡進行比較，得出預測誤差範圍。如果預測誤差較大，則重新調整冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值，直到將預測誤差控制在一定的範圍內。(5)給定加權矩陣Q和R，當預測誤差。(幻=允(幻-兄.(幻被控制在一定的範圍內的時候，建立輸出預測誤差和控制量加權的二次型性能指標，描述如下formulaseeoriginaldocumentpage8性能指標的建立的目的是為了使預測誤差最小，同時使輸入控制量達到最小，即，使冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值達到最小，從而實現企業節能的要求。(6)考慮了實際控制信號滯後對控制效果的影響，採用階梯式動態矩陣控制方法，通過極小化二次型性能指標，計算出最優控制律。具體推導過程如下d(j)使Jp對ΔUm(k)取極小值，令々V"、=0，求得最優控制律為dK^uM)AUM(k)=[GTQG+XIr1GTQX[Yr(k+p)-GAU(k+M-1)-SAU(k-h(k)+M-1)-he(k)]則有Δu(k+i-1)=gT[Yr(k+p)-GAU(k+M-1)-SAU(k_h(k)+M-1)-he(k)]其中gT是[GtQG+λIF1GtQ的第一行，且有·■■0卜...ο_G=…幻^S=Sm···_gN...如-叫)」歸…丨)」歸由上式可以看出，在求解最優控制律的過程中，需要求PXM階的矩陣相乘，以及M階的矩陣求逆，計算很繁瑣，本發明方法採用階梯式動態矩陣控制方法使計算量簡化，同時使控制量呈階梯式，向一個方向平穩變化。假設，當前時刻的控制增量Au(k)=ο，\Au(k+ζ)=yAu(k+i-I)=,\<iM得到GAUM(k)=G[1，Y,...do=Bo,由此求得最優控制律為5『0「}；(眾+p)-GAU(k+M-\)-SAU(k-h(k)+M-l)-pe(k)']<y=---7-；~-T--義(1+屍+,4+…Zm-1))(7)採集染色過程中的冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值數據，用歐式空間對其進行時滯控制度量，建立容許控制集Ω，描述如下Ω={h(k)eRIO<h(k)<h}容許控制集的建立是為了保證步驟(6)計算最優控制律時有解；這裡，時滯h(k)的上界h的選取是根據實際操作數據估算的到的。(8)把σ與容許控制集相比較，如果σ在容許控制集內，則停止計算，此時，σ就是最優的控制輸入；否則，通過從容許控制集中加入新息u(k+Ι)，對染色車間空氣溼度值預測模型進行修正，從步驟(2)重新開始循環；當染色車間空氣溼度為4060%時採用PID控制方法對冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值進行補償控制。表示如下ATkτM(k)=kpx|e/;(^)+—+[k)-ep{k-\)\\其中，預測誤差&⑷=yp(k)-y,.(k)，kp為比例係數，T,為積分時間常數，Td為微分時間常數，AT為時間間隔。調節比例係數kP使得染色車間空氣溼度值輸出上升時間減小；調節積分時間常數凡使得染色車間空氣溼度值輸出超調量減小，系統振蕩減小，控制精度提高；調節微分時間常數Td使得染色車間空氣溼度值輸出調節時間減小，系統響應時間更快。採用二步控制法，在消除控制信號滯後對控制性能的影響的同時，解決了因開關控制的急開急停特點而導致的閥門損壞問題，延長了二通閥的使用年限，提高染色車間空氣溼度控制精度。權利要求染色過程溼度優化控制方法，其特徵在於該方法首先通過階梯式動態矩陣預測控制方法對冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值進行控制；當染色車間空氣溼度為40～60％時採用PID控制方法對冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值進行補償控制；所述的階梯式動態矩陣預測控制方法的具體步驟是a.建立預測模型，具體方法是以冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值為輸入控制量，以溼度傳感器採集到的染色車間空氣溼度值為輸出量，建立基於最小二乘法的離散差分形式的受控自回歸滑動平均時滯模型A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k)+C(z-1)u(k-h(k))其中y(k)表示染色車間空氣溼度值，u(k)表示控制輸入變量，u(k-h(k))表示控制輸入變量的時滯，A(z-1)、B(z-1)和C(z-1)表示通過辨識得到的已知的實參數矩陣；y(k)＝[y1(k)，y2(k)，…yn(k)]T；yi(k)∈Rn×1，i＝1，2，…n；u(k)＝[u1(k)，u2(k)，u3(k)]T，u1(k)∈Rm×1，u2(k)∈Rm×1，u3(k)∈Rm×1；其中u1(k)表示冷水二通閥閥門開度值，u2(k)表示加熱二通閥閥門開度值，u3(k)表示蒸汽二通閥閥門開度值，在染色過程中，通過控制冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值來實現染色車間空氣溼度控制；A(z-1)=1+i=1naaiz-1,B(z-1)=i=1nbbiz-1,C(z-1)=i=1ncciz-1;其中，ai、bi和ci表示需要辨識的模型參數，na、nb和nc表示採樣個數；b.通過z反變換，把上述模型轉化成基於脈衝響應傳遞函數的非參數化模型，即染色車間空氣溼度值預測模型y^m(k+1)=g1u(k)+g2u(k-1)+...+gNu(k+N-1)+s1u(k-h(k))+s2u(k-h(k)-1)+...+sNu(k-h(k)+N-1)=l=1Nglu(k+1-l)+t=1Nstu(k-h(k)+1-t)其中表示k+1時刻預測模型的輸出染色車間空氣溼度值，N為建模時域，u(k+1-l)表示k+1-l時刻的控制輸入變量，u(k-h(k)+1-t)表示k+1-t時刻控制輸入變量的時滯，gl和st表示通過辨識得到的已知的實參數矩陣；G(z-1)=B(z-1)A(z-1)其中ZT-1[B(z-1)A(z-1)]=gk,G(z-1)=i=1Ngiz-i,(k=1,...,N);S(z-1)=C(z-1)A(z-1)其中ZT-1[C(z-1)A(z-1)]=sk,S(z-1)=j=1Nsjz-j,(k=1,...,N);其中，gi和sj表示通過辨識得到的已知的實參數矩陣；c.修正預測輸出，實現反饋校正，具體方法如下比較實際輸出和預測模型輸出，構建預測模型誤差，通過對誤差加權的方式來修正對未來輸出的預測，實現對下一步預測輸出的反饋校正；預測輸出表示為y^p(k)=y^(k+1)...y^(k+p)=y^m(k)+1e1(k)...y^m(k+p-1)+pep(k),其中P為預測時域，ρi(i＝1，2，…p)為預測模型誤差的權值，e(k)為預測模型誤差e(k)=e1(k)...ep(k)=y(k)-y^m(k)...y(k+p-1)-y^m(k+p-1)d.建立性能指標，進行在線的滾動優化；通過將反饋校正後的預測染色車間空氣溼度輸出值與實際的染色車間空氣溼度參考值進行比較，建立輸出預測誤差和控制量加權的二次型性能指標，描述如下J(k)=[Y^p(k+P)-Yr(k+P)]TQ[Y^p(k+P)-Yr(k+P)]+UM(k+M-1)TRUM(k+M-1)其中表示染色車間空氣溼度的輸出預測值，Yr(k+P)表示染色車間空氣溼度的參考軌跡值，P表示預測時域，M表示控制時域，Q和R表示溫度預測輸出誤差和控制量的加權矩陣，預測誤差Y^p(k+p)=[y^p(k+1),y^p(k+2),...y^p(k+p)]T;Yr(k+p)=[yr(k+1),yr(k+2),...yr(k+p)]T;Q＝diag{q1，q2，…qn}，R＝λE＝diag{λ1，λ2，λ3}；E為單位矩陣；ΔU(k+M-1)＝[Δu(k-M+1)，Δu(k-M+2)，…Δu(k-1)]T；其中y^p=[y^1p(k),y^2p(k),...,y^np(k)]T,y^ip(k)Rn1,i=1,2,...n;yr＝[y1r(k)，y2r(k)，…，ynr(k)]T，yir(k)∈Rn×1，i＝1，2，…n；e.得出最優控制律，具體方法是採用階梯式動態矩陣控制方法來計算最優控制律，最優控制律σ描述如下=BTQ[Yr(k+p)-GU(k+M-1)-SU(k-h(k)+M-1)-e(k)]BTQB+(1+2+4+...2(M-1))其中γ為控制量呈階梯式變化的變化係數，B＝G[1，γ，…γM-1]T，Δu(k)＝σ；f.容許控制集的建立，採集染色過程中的冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值數據，用歐式空間對其進行時滯控制度量，建立容許控制集Ω，描述如下Ω＝{h(k)∈R|0＜h(k)＜h}其中h(k)表示時變時滯，h表示時滯上界；把σ與容許控制集相比較，如果σ在容許控制集內，則停止計算，此時，σ就是最優的控制輸入；否則，通過從容許控制集中加入新息u(k+1)，對染色車間空氣溼度值預測模型進行修正，從步驟b重新開始循環；所述的PID補償控制方法表示如下u(k)=kp{ep(k)+TTij=0kep(k)+TdT[ep(k)-ep(k-1)]}其中，預測誤差kP為比例係數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，ΔT為時間間隔；調節比例係數kP使得染色車間空氣溼度值輸出上升時間減小；調節積分時間常數Ti使得染色車間空氣溼度值輸出超調量減小，系統振蕩減小，控制精度提高；調節微分時間常數Td使得染色車間空氣溼度值輸出調節時間減小，系統響應時間更快。FSA00000067730100017.tif,FSA00000067730100027.tif,FSA000000677301000211.tif,FSA000000677301000212.tif,FSA00000067730100035.tif全文摘要本發明涉及染色過程溼度優化控制方法。現今印染企業的染色車間空氣溼度控制採用開環控制，控制精度不高。本發明方法首先通過階梯式動態矩陣預測控制方法對冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值進行控制；當染色車間空氣溼度為40～60％時採用PID控制方法對冷水二通閥、加熱二通閥和蒸汽二通閥的閥門開度值進行補償控制。本發明方法可以根據控制要求，不斷進行反饋校正，最終得到最優的閥門開度值，解決了因開關控制的急開急停的特點而導致的閥門損壞問題，延長了二通閥的使用年限，提高染色車間空氣溼度控制精度。文檔編號G05D22/02GK101807083SQ20101013608公開日2010年8月18日申請日期2010年3月30日優先權日2010年3月30日發明者周曉慧,薛安克,鄒洪波,陳巧,魯仁全申請人:杭州電子科技大學