CN106354016B - 一种金属管夯实高度的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属管夯实高度的控制方法，包括：1)建立基于紧格式的SISO无模型自适应控制器；2)金属管药剂装填过程参数的在线检测；3)夯实过程中在线检测参数的处理；4)伪偏导数的估算；5)控制器输出值的计算；6){u(k+1),y(k+1)}的获取；7)控制算法的运行；8)金属管药剂夯实高度的仿真。本发明根据现场金属管药粉装填的生产记录，扩宽了无模型自适应控制方法的应用领域；通过无模型自适应控制算法设计为金属管药粉装填工艺分析及优化提供理论指导；基于无模型自适应控制算法的金属管药剂装填控制系统的控制精度满足要求，控制效果良好，生产稳定；同时，取代了人工装药的高强度工作，提高了安全系数，能实现控制目标精确控制。

Description

一种金属管夯实高度的控制方法

技术领域

本发明属于导爆索药剂装填技术领域，涉及一种金属管夯实高度的控制方法。

背景技术

随着引信技术的快速发展，导爆索药柱成为了传爆器件必不可少的组成原件。导爆索药柱是以小口径的金属管作为装药载体，由于传爆器要求导爆索能够准确可靠地炮轰，性能稳定等要求，为了达到这些目标，就必须保证导爆索药柱中药剂的堆积密度。由于导爆索药柱管径很小，只有几毫米，加之导爆索药柱装填的高要求，根据目前对于药剂装填研究现状的了解和分析发现国内大都采用半自动化和人工实现药剂装填。因此要实现导爆索药剂装填的自动化生产是一个挑战。同时药剂装填的劳动强度大、生产效率低、存在一定安全隐患等缺点，有必要研究一种金属管药剂装填的控制方法，完成控制系统的设计，实现药剂装填的自动化生产，从而解放劳动力、提高生产质量和效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金属管夯实高度的控制方法，该方法利用无模型自适应控制方法对金属管药剂装填过程中的数据进行检测和分析，对金属管药剂的夯实高度进行精确的控制，从而致使金属管药剂装填工艺中堆积高度的控制。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种金属管夯实高度的控制方法，该方法包括以下步骤：

1)建立基于紧格式的SISO无模型自适应控制器：

其中，式(1)为伪偏导数的估计算法，式(2)为控制率算法；

2)金属管药剂装填过程参数的在线检测：分析步骤1)中参数之间的关系，确定影响堆积高度的主要影响参数；

3)夯实过程中在线检测参数的处理：对步骤2)确定主要影响参数夯实高度u(k)和堆积高度y(k)，并对其进行检测得到{u(k),y(k)}；

4)伪偏导数的估算：对步骤3)检测的{u(k),y(k)}通过伪偏导数的估计算法(式(1))估算出伪偏导数的值；

5)控制器输出值的计算：根据金属管药剂装填的期望堆积高度y*(k+1)得到此时的堆积高度差，对步骤4)的伪偏导数估计值通过控制率算法(式(2))获得k时刻的应该施加到控制对象的夯实高度u(k)的值；

6){u(k+1),y(k+1)}的获取：对步骤5)得到的夯实高度u(k)的值施加到夯实过程中，便得到新一组的夯实高度和堆积高度值{u(k+1),y(k+1)}；

7)控制算法的运行，重复以上步骤2)～5)，可以得到一系列的{u(k),y(k)},k＝1,2,...，直到金属管药剂装填完成；

8)根据步骤2)～7)，完成金属管药剂堆积高度的控制。

根据金属管药粉的生产记录，对于本发明金属管药剂夯实高度的控制方法进行模型仿真。

其中，步骤1)中建立的紧格式SISO无模型自适应控制器；其紧格式动态线性化系统如下；

一般SISO离散时间非线性系统如下：

y(k+1)＝f(y(k),···,y(k-n_y),μ(k),···,μ(k-n_μ)) (3)

其中，y(k)∈R，μ_k∈R分别表示在时刻k系统的输出和输入；n_y，n_μ是两个未知的正整数，表示系统的阶数；f(...)：为未知的非线性函数。

系统(3)应满足以下两个假设：

①除有限时刻点外，函数f(···)关于第n_y+2个变量的偏导数是连续的；

②除有限时刻点外，系统(2.1)满足广义Lipschitz条件的，即对任意的k₁≠k₂，k₁，k₂≥0和μ(k₁)≠μ(k₂)，有

|y(k₁+1)-y(k₂+1)|≤b|μ(k₁)-μ(k₂)|

其中y(k_i+1)＝f(y(k_i)，...，y(k_i-n_y)，μ(k_i)，...，μ(k_i-n_μ))，i＝1，2；b＞0是一个常数。

定理1：对满足假设1)和假设2)的非线性系统式(3)，当|Δμ(k)|≠0时，一定存在一个被称为伪偏导数(PPD)的时变参数使得系统(3)可以转化为如下紧格式动态线性化(compat form dynamic linearization,CFDL)数据模型：

其中b是一个大于0的常数，即对任意时刻k有界，式(4)称为系统(3)的泛模型，称为特征向量。

①控制算法

对于离散时间系统，由最小化一步向前预报误差准则函数得到的控制算法有可能产生过大的控制输入，使控制系统本身遭到破坏，而由最小化加权一步向前预报误差准则函数得到的控制算法有可能产生稳态的跟踪误差。因此，考虑如下控制输入准则函数

J(μ(k))＝|y^*(k+1)-y(k+1)|²+λ|μ(k)-μ(k-1)|² (5)

其中，λ＞0是一个权重因子，用来限制控制输入量的变化；y*(k+1)为期望的输出信号。

将式(4)代入准则函数(5)中，对μ(k)求导，并令其等于0。可得如下控制算法

其中ρ∈(0，1]是步长因子，目的是使控制算法更具一般性。

控制算法(6)中的λ限制了控制输入的变化Δμ(k)，在控制系统设计中经常被用来保证控制输入信号具有一定的平滑性。实际上，λ对MFAC系统设计非常重要。适当选取λ可保证被控系统的稳定性，并能获得较好的输出特性。

②伪偏导数(PPD)估计算法

由定理1可知，满足假设1)和假设2)的非线性系统(3)可由带有时变PPD参数的动态线性化数学模型(4)来表示，基于控制输入准则函数(5)的极小化，可设计出控制算法(6)，为实现控制算法(6)，则需要已知的PPD参数的值。由于系统的数学模型未知，PPD参数为时变参数，其精确值很难获取，因此需要设计利用受控系统的输入输出数据来估计PPD参数的某种估计算法。

传统的参数估计准则函数是极小化系统模型输出与真实输出之差的平方。然而，在应用由此类准则函数推导出的参数估计算法时，其参数估计值会对某些不准确的采样数据过于敏感，为此提出了如下PPD参数估计准则函数

其中，μ＞0是权重因子。

对式(7)关于求极值，可得PPD的估计算法为

其中，η∈(0，1]是加长的步长因子，目的是使该算法具有更强的灵活性和一般性；为的估计值。

进一步，步骤2)中所述的堆积高度的主要影响因素为夯实高度，夯实高度因为机构强度和生产场地的限制，夯实高度有一定的取值范围。

本发明的有益效果在于：

1、根据现场金属管药粉装填的生产记录，扩宽了无模型自适应控制方法的应用领域，适应性更强；

2、通过无模型自适应控制算法设为金属管药粉装填工艺分析及优化提供理论指导；

3、通过无模型自适应控制算法设计的金属管药剂装填控制系统的控制精度满足要求，控制效果良好，生产稳定；

4、通过无模型自适应控制算法设计的金属管药剂装填控制系统取代了人工装药的高强度工作，解放了劳动力，提高了安全系数，实现控制目标精确控制。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为无模型自适应控制算法的控制效果图；

图2为本发明所述方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供了一种金属管夯实高度的控制方法，能够使导爆索药剂装填入细长金属管后药剂的堆积高度达到稳定高度，其基本思路是利用无模型自适应控制方法实现对金属管药剂颗粒夯实高度的精确控制，从而使金属管药剂装填的质量达到导爆索药柱装填要求。

根据对导爆索药柱装填的工艺分析，金属管内药剂的堆积高度主要受金属管被提升的夯实高度的影响。因此选取夯实高度作为控制器的输出，金属管内药剂的堆积高度为控制器输入。

通过上诉的分析，本发明的金属管药剂夯实高度的控制方法流程包括：1)金属管药剂装填过程参数的在线检测；2)夯实过程中在线检测参数的处理；3)伪偏导数的估算；4)控制器输出值得计算；5){u(k+1),y(k+1)}的获取；6)控制算法的运行；7)金属管药剂夯实高度的仿真。图2为本发明所述方法的流程示意图。

1)金属管药剂装填过程参数的在线检测

针对本发明的金属管夯实高度控制方法，对于过程参数的在线检测通过高精度检测传感器对控制器参数进行检测，以确保控制参数的精确性和可靠性；

2)夯实过程中在线检测参数的处理

夯实过程中在线检测参数主要有夯实高度和堆积高度两个参数，经高精度检测传感器检测后，经过处理器对数据进行处理，使二者检测的结果量化后的量纲与理论量纲一致；

3)伪偏导数的估算

根据在线检测的控制参数夯实高度和堆积高度{u(k),y(k)}，根据伪偏导数估计算法

计算伪偏导数的值；

4)控制器输出值得计算

根据控制系统的控制目标期望堆积高度的值与该时间检测得到的堆积高度值得到堆积高度差值，并结合3)伪偏导数的估算结果，根据控制率算法

计算得到此时应该施加到控制控制对象上夯实高度的值，经过处理器处理后通过高精度传感器实现夯实高度的准确施加；

5){u(k+1),y(k+1)}的获取

经过4)中得到的夯实高度的施加值以及堆积高度的检测值，便得到此时的新的随机高度和夯实高度的值{u(k+1),y(k+1)}，其中需要的注意的夯实高度和堆积高度的数值经传感器处理后量纲均为理想的量纲；

6)控制算法的运行

重复2)～5)步骤，通过实施在线检测的夯实高度和堆积高度的值能不断的调整伪偏导数的值，不断变化的伪偏导数的值引起控制器输出夯实高度的不断调整，直到药剂的堆积高度达到指定高度，这样就实现了无模型自适应控制方法对控制对象的控制。

7)金属管药剂夯实高度的仿真

根据金属管药粉的实地的生产记录，对于本发明金属管药剂夯实高度的控制方法进行模型建立仿真，得到的仿真效果图如图1所示，可以发现，无模型自适应控制方法应用于金属管药剂装填领域控制效果良好。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.一种金属管夯实高度的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)建立基于紧格式的SISO无模型自适应控制器：

其中，式(1)为伪偏导数的估计算法，式(2)为控制率算法；其中为伪偏导数PPD的估计值；η∈0，1是加长的步长因子，目的是使该算法具有更强的灵活性和一般性；μ＞0是权重因子；μ(k)∈R表示在时刻k紧格式动态线性化系统的输入；ρ∈0，1是步长因子，目的是使控制算法更具一般性；λ＞0是一个权重因子，用来限制控制输入量的变化；表示伪偏导数PPD；

2)金属管药剂装填过程参数的在线检测：分析步骤1)中参数之间的关系，确定影响堆积高度的主要影响参数；

3)夯实过程中在线检测参数的处理：对步骤2)确定主要影响参数夯实高度u(k)和堆积高度y(k)，并对其进行检测得到{u(k)，y(k)}；

4)伪偏导数的估算：对步骤3)检测的{u(k)，y(k)}通过伪偏导数的估计算法(式(1))估算出伪偏导数的值；

5)控制器输出值的计算：根据金属管药剂装填的期望堆积高度y^*(k+1)得到此时的堆积高度差，对步骤4)的伪偏导数估计值通过控制率算法(式(2))获得k时刻的应该施加到控制对象的夯实高度u(k)的值；

6){u(k+1)，y(k+1)}的获取：对步骤5)得到的夯实高度u(k)的值施加到夯实过程中，便得到新一组的夯实高度和堆积高度值{u(k+1)，y(k+1)}；

7)控制算法的运行，重复以上步骤2)～5)，可以得到一系列的{u(k)，y(k)}，k＝1，2，...，直到金属管药剂装填完成；

8)根据步骤2)～7)，完成金属管药剂堆积高度的控制。