CN105599439A - 一种在线参数辨识自适应套色控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线参数辨识自适应套色控制系统，主控计算机具有以太网TCP/IP的底层通讯模块；控制器采用在线参数辨识自适应PID控制模型，并使用最优PID参数整定设定所述控制器参数。本发明实现了，基于DOS操作系统电子轴印刷主控计算机具有高速以太网传输功能，使系统信息能与外界高速交互；有效利用高速以太网可使各个印刷色组脉冲编码器信号及时传回控制器，网络传输所用时间极短，不会对套色控制性能产生影响的优势，采用在线参数辨识自适应PID控制模型，使整个控制系统处在不断修正不断改进的过程中，形成一个实时自动矫正的控制系统，控制精度随着系统的运行不断提高；并且采用最优PID参数整定进一步调高控制精度。

Description

一种在线参数辨识自适应套色控制系统

技术领域

本发明涉及印刷机套色控制系统，特别涉及一种在线参数辨识自适应套色控制系统。

背景技术

由于DOS操作系统诞生于上个世纪八十年代，其本身并非设计为一个具有网络功能的操作系统，其设计的基本通讯功能均需通过并行或串行通信接口实现。然而，随着计算机运算速度和控制系统功能的的发展，并行或串行通信接口已经无法适应现代计算机控制系统的要求。许多大型工业项目，由于前期投入成本巨大，若要整体更换操作系统平台恐怕不现实也不经济。然而，这些项目又对利用工业以太网进行网络控制有着迫切的需要，印刷系统就是其中之一。

传统的基于DOS的印刷控制系统，往往不具备网络化的特性，信息的通讯往往使用串行总线或者CAN总线通讯，有的甚至根本没有信息交互，电机及系统的运行状态交互仅仅存在于系统内部。这给系统的远程监控和诊断，以及与其他设备的兼容和集成应用带来了很大障碍。

发明内容

本发明目的是提供一种在线参数辨识自适应套色控制系统，解决现有技术中存在的上述问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种在线参数辨识自适应套色控制系统，主控计算机具有以太网TCP/IP的底层通讯模块；控制器采用在线参数辨识自适应PID控制模型，并使用最优PID参数整定设定所述控制器参数。

本发明的有益效果是：基于DOS操作系统电子轴印刷主控计算机具有以太网TCP/IP的底层通讯模块，使系统信息能与外界高速交互，以便于实现远程监控和远程故障诊断功能；控制器采用在线参数辨识自适应PID控制模型，有效利用高速以太网可使各个印刷色组脉冲编码器信号及时传回控制器，网络传输所用时间极短，不会对套色控制性能产生影响的优势，使整个控制系统处在不断修正不断改进的过程中，形成一个实时自动矫正的控制系统，控制精度随着系统的运行不断提高；最优PID参数整定超调量低，调节时间短，进一步调高控制精度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述以太网TCP/IP的底层通讯模块采用基于DOS的网络编程实现。

进一步，所述基于DOS的网络编程包括网卡硬件驱动及其功能函数设计和协议层次设计。

进一步，所述网卡硬件驱动及其功能函数设计采用包驱动。

进一步，所述协议层次设计采用TCP/IP协议栈作为MAC层、IP层、TCP/UDP层和应用层的通讯协议。

进一步，所述在线参数辨识自适应PID控制模型的具体实现包括如下步骤：

步骤1，控制器根据对被控对象模型设定τ和T；

步骤2，系统运行后，通过高速以太网将被控对象的输出不断传回，并与控制器给出的控制量一起，存入系统缓存；

步骤3，每隔预设时间段，控制器利用缓存中得到的输入输出数据重新辨识系统数学模型，并对其之前的系统数学模型的参数进行修正。

进一步，所述最优PID参数整定为对于FOPTD对象的参数K、τ和T，通过修改控制器参数，使得某一性能指标达到最好，从而确定所述控制器参数。

附图说明

图1为典型网络化电子轴系统原理框图；

图2为基于DOS系统主控计算机服务器端通讯软件模块工作流程图；

图3为电子轴系统通讯协议的协议层次结构示意图；

图4为本发明一种在线参数辨识自适应套色控制系统的控制器自动矫正控制系统原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种在线参数辨识自适应套色控制系统，主控计算机具有以太网TCP/IP的底层通讯模块；控制器采用在线参数辨识自适应PID控制模型，并使用最优PID参数整定设定所述控制器参数。

基于以太网的TCP/IP协议族作为当今应用范围最为广泛的协议体系，已经十分成熟，全世界范围内有无数的以太网交换机及路由器，其普及程度不言而喻。因此，在工业现场中特别是设备层次引入以太网TCP/IP应用，对于远程控制与各种操作无疑带来了很大便利。

立足于现实情况，在基于DOS操作系统电子轴印刷控制计算机上开发一套以太网TCP/IP通讯模块，使系统信息能与外界高速交互，以便于实现远程监控和远程故障诊断功能，具有较大应用价值。

一个典型的网络化电子轴系统结构如图1所示，主控计算机具有以太网TCP/IP的底层通讯模块，就是使基于DOS操作系统的主控计算机，也能具有以太网TCP/IP通讯功能。

由于工控PC作为印刷系统的主控计算机，一般不允许用户直接对其进行操作，现实中，往往使用各种形式的上位机，以用户命令的形式对其进行操作，主控计算机响应用户命令，并驱动机构执行相应控制命令。由此可见，主控计算机在服务器-客户端通讯模式下，扮演的是通讯服务器的角色，各种上位机扮演客户端的角色，通讯由客户端发起，由通讯服务器响应。由于主控计算机上运行的为服务器端模块，因此，电子轴系统网络话的关键问题是基于DOS系统的服务器端通讯模块的编写。

因此，使用DOS系统的主控计算机，其服务器端通讯软件模块，应具有的流程结构如图2所示。

所述以太网TCP/IP的底层通讯模块采用基于DOS的网络编程实现。

所述基于DOS的网络编程包括网卡硬件驱动及其功能函数设计和协议层次设计。

所述网卡硬件驱动及其功能函数设计采用包驱动。

一般来说，不同生产商的以太网卡往往具有不同的硬件结构，以至于其寄存器结构和地址分配往往有所差异。但是，幸运的是，常见的大部分的以太网网络接口都遵循FTPSoftwareInc.公司所制定的PC/TCP包驱动规范[30](PC/TCPPacketDriverSpecification)。该规范的目的是使上层的协议栈实现(例如TCP/IP)独立于硬件结构和厂商信息，由包驱动提供统一的网络初始化，数据发送和接收，接口信息查询等功能。通过包驱动，用户可以在其上实现TCP/IP协议、XNS协议以及不同的专用协议。即使更换网络接口，仅仅需要提供一个新的包驱动支持，上层协议及程序既可实现无缝移植，无需任何修改。

网络接口厂商一般会按照包驱动规范，提供底层硬件到包驱动的接口程序。在DOS系统启动时，安装该包驱动接口程序，并指定软件中断的中断向量(范围为0x60-0x80)后，此后该程序将常驻内存，所有包驱动规范所提供的功能都通过软件中断来调用。当安装了包驱动程序后，包驱动以软件中断的形式提供网络接口的访问功能。

所述协议层次设计采用TCP/IP协议栈作为MAC层、IP层、TCP/UDP层和应用层的通讯协议。

在有了底层的硬件包驱动支持以后，网络接口硬件部分对于我们来说已经透明化，我们要做的只是利用软件中断进行功能调用即可，上层协议栈的设计就变得容易多了。由于TCP/IP协议栈事实上已成为世界上应用范围最广泛的网络通讯协议，并且有大量设备支持该协议，使用TCP/IP协议栈可以方便的利用现有的路由器交换机等设备进行远程交互。因此，电子轴系统的网络化选择利用TCP/IP协议栈作为MAC层、IP层、TCP/UDP层和应用层的通讯协议。其基本的协议层次结构如图3所示。

网络模块使用多个发送数据缓冲区和接受数据缓存区，以实现信息的交互。得益于包驱动的支持，通讯模块可直接从MAC层即以太网帧层开始设计编写。上层的应用数据格式，采用标准的应用层报文传输协议MODBUSTCP/IP协议，即利用TCP/IP网络来传输MODBUS报文。该协议使互联网上的用户能通过保留的TCP端口号502访问MODBUS通讯设备。网络化的电子轴系统正是使用TCP的502端口来使电子轴系统具有与远程计算机通讯的功能。

工厂车间的网关路由器首先开放对502号端口的虚拟服务器映射。当外网的客户机请求对服务器502端口的访问时，网关路由器将数据包映射到主控计算机上，由主控计算机进行应答和事务处理。

通过这种方式，主控计算机本身与外界网络隔离，保证了主控计算机与机械系统的安全性。通过自定的网络安全措施及其相关协议，可进一步进行数据加密和权限管理，保障印刷机械设备的安全。

将网络引入基于DOS的电子轴印刷系统，提高了系统的兼容性和互操作性，实现了远程监控和诊断的功能，提高了管理效能，降低了企业成本，并为远程网络控制打下了技术基础。

套色被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节。其传递函数可表示成如下形式：

$G\left(s\right)=\frac{e^{-\mathrm{\τ}s}}{Ts+1}$

特别的，对于本实验平台系统，我们通过模型辨识知道τ＝3，T＝19.88。其中的一阶惯性环节是比较容易控制的对象，常用的PID控制方式已经能取得较满意的控制效果。然而控制对象含有一个纯滞后环节e^-τs，纯滞后环节的存在，使得控制信号要经过一段滞后时间τ才能到达被控对象，降低了系统动态性能，并使系统稳定性变差，给控制器的设计带来了较大困难。

尽管PID控制器诞生已有数十年历史了，在其诞生后其他各种控制理论也有了较大发展，然而，PID控制器因其结构简单、鲁棒性好、可靠性等特点依然是工程应用最广泛的控制器。当前印刷套色控制系统一般采用的是常规PID控制器或者模糊PID控制器。

但是，由于PID控制无法对系统的滞后环节进行补偿，时间滞后现象并未消除。

由于计算机实现数字控制器十分灵活，针对特定的控制场合，又出现了很多新的PID改进算法，主要有积分分离式PID、抗积分饱和PID、带死区PID、微分先行PID、滤波PID等算法以及模糊PID控制，这些方法改善了PID控制器的特性，增加了PID控制器的灵活性和针对性。

然而无论何种数字PID控制器，其参数整定都比较困难，选择合适的参数往往需要不断试凑，即使在参数整定好以后，一旦运行工况发生变化，控制性能下降严重。长期以来，人们一直在寻找PID参数的自整定技术，以适应不同的工况要求。

通过现场采集的数据得到被控对象的近似传递函数模型：

$G\left(s\right)=\frac{K}{Ts+1}{e}^{-\mathrm{\τ}s}$

在已知被控对象传递函数模型的基础上，控制器设计变得容易，对于被控对象中的纯滞后环节，对的大时延系统可采用诸如Smith预估器补偿的方法加以克服，但是Smith预估器设计依赖于被控对象的精确数学模型。

然而印刷生产中，往往不允许通过长时间的系统实验和测试来得到被控对象的数学模型，这种方法往往不够经济。甚至，有些材料在停机后重新开机运行时其特性会发生一些变化，这时离线辨识的模型变得不准确。因此实际系统中，期望被控对象的数学模型参数不发生变化，这是不现实的。

工业PC的强大运算能力和印刷机控制系统的网络化为在线系统辨识创造了条件。高速以太网的存在使得各个印刷色组脉冲编码器信号可以及时传回控制器，网络传输所用时间极短，以至于不会对套色控制性能产生影响，辨识器能利用该数据辨识得到当前时刻的对象参数。因此，控制器采用在线参数辨识自适应PID控制模型。

所述在线参数辨识自适应PID控制模型的具体实现包括如下步骤：

步骤1，控制器根据对被控对象模型设定τ和T；

步骤2，系统运行后，通过高速以太网将被控对象的输出不断传回，并与控制器给出的控制量一起，存入系统缓存；

步骤3，每隔预设时间段，控制器利用缓存中得到的输入输出数据重新辨识系统数学模型，并对其之前的系统数学模型的参数进行修正。

使用这种方法，数学模型的确定是通过不断辨识和不断修改得到的，其模型精确度随着系统的不断运行将会越来越高。随着对象参数的不断修正和不断精确，其控制器参数整定和优化，整个控制系统处在不断修正不断改进的过程中，形成一个实时自动矫正的控制系统，其结构图如图4所示。系统分为两个部分，内部由常规控制器和被控对象组成，外部由参数辨识器和控制器设计计算组成。根据系统运行得到的实时数据，在线辨识对象参数，并根据得到的结果修改控制器参数。在系统的某一控制时间点上，一旦模型参数通过辨识得以确定，立即根据该模型进行在线PID控制器参数整定。本发明系统为模型结构已确定的带有时间延迟的一阶模型(First-OrderPlusTimeDelay,简称FOPTD)，当对象的参数知道以后，可以进行PID控制器参数整定。本发明采用最优PID参数整定。

所述最优PID参数整定为对于FOPTD对象的参数K、τ和T，通过修改控制器参数，使得某一性能指标达到最好，从而确定所述控制器参数。使用ISTE指标，即：

$I_1={{\∫}_0^{+\mathrm{\∞}}\[te\left(t\right)\]}^{2}dt$

通过修改控制器参数迭代计算让该指标最小，则认为控制性能最优。

假设由辨识得到的套色控制模型参数T＝19.88，τ＝3，K＝1，仿真结果显示，基于IST指标最优PID参数整定的超调量只有20％，基于Ziegler-Nichols参数整定的超调量达到了200％，基于IST指标最优PID参数整定调节时间也有所缩短，基于IST指标最优PID参数整定控制效果较好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种在线参数辨识自适应套色控制系统，其特征在于，主控计算机具有以太网TCP/IP的底层通讯模块；控制器采用在线参数辨识自适应PID控制模型，并使用最优PID参数整定设定所述控制器参数。

2.根据权利要求1所述一种在线参数辨识自适应套色控制系统，其特征在于，所述以太网TCP/IP的底层通讯模块采用基于DOS的网络编程实现。

3.根据权利要求2所述一种在线参数辨识自适应套色控制系统，其特征在于，所述基于DOS的网络编程包括网卡硬件驱动及其功能函数设计和协议层次设计。

4.根据权利要求3所述一种在线参数辨识自适应套色控制系统，其特征在于，所述网卡硬件驱动及其功能函数设计采用包驱动。

5.根据权利要求4所述一种在线参数辨识自适应套色控制系统，其特征在于，所述协议层次设计采用TCP/IP协议栈作为MAC层、IP层、TCP/UDP层和应用层的通讯协议。

6.根据权利要求1所述一种在线参数辨识自适应套色控制系统，其特征在于，所述在线参数辨识自适应PID控制模型的具体实现包括如下步骤：

步骤1，控制器根据对被控对象模型设定τ和T；

步骤2，系统运行后，通过高速以太网将被控对象的输出不断传回，并与控制器给出的控制量一起，存入系统缓存；

步骤3，每隔预设时间段，控制器利用缓存中得到的输入输出数据重新辨识系统数学模型，并对其之前的系统数学模型的参数进行修正。

7.根据权利要求1所述一种在线参数辨识自适应套色控制系统，其特征在于，所述最优PID参数整定为对于FOPTD对象的参数K、τ和T，通过修改控制器参数，使得某一性能指标达到最好，从而确定所述控制器参数。