CN109358511B - 一种数据驱动的系统关键性能指标自适应调节方法 - Google Patents

一种数据驱动的系统关键性能指标自适应调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种数据驱动的系统关键性能指标自适应调节方法，属于跟踪控制技术领域。本发明首先将系统输入设为随机方波信号采集数据，根据采集的数据、被控对象的期望输出，利用改进偏最小二乘法进行初始化，获得并储存当前时刻被控对象的输入；然后利用对被控对象的当前时刻测量数据和偏最小二乘算法进行本发明方法的在线更新，获得下一时刻被控对象的输入；重复执行上一步骤，直至系统运行结束。本发明解决了现有数据驱动的系统关键性能指标自适应调节技术通常需要对大量的参数进行调节，导致控制性能差，跟踪误差较高的问题。本发明可用于系统关键性能指标的自适应调节。

Description

一种数据驱动的系统关键性能指标自适应调节方法
技术领域
本发明涉及一种系统关键性能指标自适应调节方法，属于跟踪控制技术领域。
背景技术
近年来随着计算机技术、信息化水平日益提高，工业生产过程如化工、冶金、机械等对关键性能指标(如产品质量)的要求越来越高，高精度的跟踪控制得到了工业界和学术界的关注。现有预测控制技术一般要求被控对象的模型一致，但实际应用中由于测量噪声和复杂的系统机理等问题，精确的系统模型难以获取。另一方面随着传感器和计算机储存技术的提高，系统存在大量未被充分利用的测量数据。如何利用这些数据，得到在系统约束下使关键性能指标维持在期望值的最优控制序列，得到了学术界的广泛关注。
另一方面，现有数据驱动的系统关键性能指标自适应调节技术通常需要对大量的参数进行调节，这些参数不仅很大程度影响了性能(控制收敛性、跟踪误差)，而且也为其实际应用带来了很多不便和困难。如利用PID(比例proportion、积分integral、微分differential)控制进行系统关键性能指标自适应调节的技术，不同的参数下的跟踪误差不同，而低跟踪误差对应的参数较难确定，因此综合来说跟踪误差较高。提出一种需要极少先验知识的系统关键性能指标自适应调节技术，提高其泛用性、简化在应用中的实际操作，也是亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明为解决目前连续搅拌加热罐标准工业控制系统跟踪控制过程中进行关键性能自适应指标调节时通常需要对大量的参数进行调节，导致跟踪控制性能差，跟踪误差较高的问题，提供了一种数据驱动的系统关键性能指标自适应调节方法。
本发明所述一种数据驱动的系统关键性能指标自适应调节方法，通过以下技术方案实现：
步骤一、将系统输入设为随机方波信号采集数据，进行所述方法的初始化：
步骤A1、设定时间窗长度，采集被控对象在随机方波激励信号下，过去时间窗长度的输入输出数据，构造截止上一时刻输入矩阵和截止上一时刻输出矩阵，并计算截止上一时刻输入矩阵的广义逆；
步骤A2、利用改进偏最小二乘法计算回归模型初始值进而得到预测模型；
步骤A3、利用被控对象的期望输出计算上一时刻跟踪误差，进而得到待求解二次型问题的相关参数；然后结合约束矩阵得到上一时刻控制序列的增量；
步骤A4、计算并储存当前时刻被控对象的输入；
步骤二、利用对被控对象的当前时刻测量数据进行所述方法的在线更新：
步骤B1、利用步骤A1中获得的截止上一时刻输入矩阵的广义逆和偏最小二乘算法计算当前时刻输入矩阵的广义逆；
步骤B2、采集被控对象的当前时刻输出的测量数据，并更新回归模型和预测模型；
步骤B3、利用当前时刻跟踪误差计算待求解二次型问题的相关参数；并结合约束矩阵得到当前时刻控制序列的增量；
步骤B4、计算并储存下一时刻被控对象的输入；进而由被控对象的输入确定系统关键性能指标；
步骤三、重复执行步骤二，直至系统运行结束。
本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：
本发明所涉及的一种数据驱动的系统关键性能指标自适应调节方法，利用被控对象的测量数据，实现对线性系统的关键性能指标自适应调节。本发明方法过程简单，提出的系统关键性能指标自适应调节方法仅需要很少的先验知识，需要预先假设的参数仅有预测步长np和时间窗长度为N，有很高的泛用性；并且本发明基于系统过程数据，不依赖于系统模型，对线性被控对象有很好的跟踪控制性能，跟踪控制预测收敛性好，仿真实验表明，本发明跟踪误差趋近于0。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为实施例中系统的跟踪控制效果曲线图；
图3为实施例中预测收敛性曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种数据驱动的系统关键性能指标自适应调节方法，具体包括以下步骤：
步骤一、将系统输入设为随机方波信号采集数据，进行所述方法的初始化：
步骤A1、设定时间窗长度N，采集被控对象在随机方波激励信号下，过去时间窗长度的输入输出数据，构造截止上一时刻输入矩阵UN(k-1)和截止上一时刻输出矩阵YN(k-1)，并计算截止上一时刻输入矩阵的广义逆
Figure GDA0003179843230000031
步骤A2、利用改进偏最小二乘法计算回归模型初始值M(k-1)进而得到预测模型
Figure GDA0003179843230000032
步骤A3、利用被控对象的期望输出计算上一时刻跟踪误差E(k-1)，进而得到待求解二次型问题的相关参数Hk-1和fk-1；然后结合约束矩阵得到上一时刻控制序列的增量ΔU(k-1)；
步骤A4、计算并储存当前时刻被控对象的输入(控制器输出)uk；
步骤二、利用对被控对象的当前时刻测量数据进行所述方法的在线更新：
步骤B1、利用步骤A1中获得的截止上一时刻输入矩阵的广义逆
Figure GDA0003179843230000033
和偏最小二乘算法计算当前时刻输入矩阵的广义逆
Figure GDA0003179843230000034
步骤B2、采集被控对象的当前时刻输出的测量数据yk，并更新回归模型M(k)和预测模型
Figure GDA0003179843230000035
步骤B3、利用当前时刻跟踪误差计算待求解二次型问题的相关参数Hk和fk；并结合约束矩阵得到当前时刻控制序列的增量ΔU(k)；
步骤B4、计算并储存下一时刻被控对象的输入uk+1；进而由被控对象的输入确定系统关键性能指标；
步骤三、重复执行步骤二，直至系统运行结束。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤A1中所述截止上一时刻输入矩阵的广义逆
Figure GDA0003179843230000036
具体为：
Figure GDA0003179843230000037
其中，N为时间窗长度，k表示当前时刻，
Figure GDA0003179843230000038
表示截止上一时刻输入矩阵；
Figure GDA0003179843230000039
表示k时刻被控对象的输入，
Figure GDA00031798432300000310
表示m维的实数向量空间；
Figure GDA00031798432300000311
表示截止上一时刻输出矩阵，
Figure GDA00031798432300000312
表示k时刻被控对象的输出，
Figure GDA00031798432300000313
表示n维的实数向量空间；上标“T”表示转置，上标“+”表示广义逆。
其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述预测模型的具体计算过程包括：
利用改进偏最小二乘计算回归模型：
Figure GDA00031798432300000314
其中，M(k)表示k时刻的回归模型，
Figure GDA0003179843230000041
表示截止k时刻输入矩阵的广义逆；
Figure GDA0003179843230000042
表示截止k时刻输出矩阵；
Figure GDA0003179843230000043
表示k时刻被控对象的输出，
Figure GDA0003179843230000044
表示n维的实数向量空间；
给定预测步长为np，计算预测模型：
Figure GDA0003179843230000045
其中，n表示被控对象的输入数据的维数，m表示被控对象的输出数据的维数。
其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述跟踪误差的具体计算过程为：
Figure GDA0003179843230000046
其中，E(k)表示k时刻的跟踪误差，ysp(k)表示k时刻被控对象的期望输出，np为预测步长，yk表示k时刻被控对象的输出。
其他步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三不同的是，所述控制序列的增量的具体计算过程包括：
计算待求解二次型问题的相关参数Hk和fk：
Figure GDA0003179843230000047
Figure GDA0003179843230000048
其中，Q和P均为权重矩阵，E(k)表示k时刻的跟踪误差；
给定符合实际情况(机械结构等)的约束矩阵C1和C2，计算控制序列的增量：
Figure GDA0003179843230000049
C1ΔU(k)≤C2 (8)
其中，ΔU(k)表示k时刻控制序列的增量，
Figure GDA00031798432300000410
ΔU(k)中的元素Δuk表示k时刻被控对象的输入的增量。
其他步骤及参数与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，所述控制器输出的具体计算过程为：
uk+1＝uk+Δuk (9)
其中，uk+1为k+1时刻的控制器输出，uk为k时刻的控制器输出。
其他步骤及参数与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六不同的是，步骤B1中所述利用步骤A1中获得的截止上一时刻输入矩阵的广义逆和偏最小二乘算法计算当前时刻输入矩阵的广义逆的具体过程包括：
计算偏最小二乘算法的减量形式的中间矩阵S：
Figure GDA0003179843230000051
利用
Figure GDA0003179843230000052
和偏最小二乘算法的减量形式计算
Figure GDA0003179843230000053
的广义逆：
Figure GDA0003179843230000054
计算偏最小二乘算法的增量形式的中间矩阵B、C、D：
Figure GDA0003179843230000055
C＝uk-DUN-1(k-1) (13)
Figure GDA0003179843230000056
利用
Figure GDA0003179843230000057
和偏最小二乘算法的增量形式计算UN(k)的广义逆：
Figure GDA0003179843230000058
其他步骤及参数与具体实施方式一至六相同。
实施例
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
本实施例为连续搅拌加热罐标准工业仿真过程，该被控对象是一个五输入三出输出系统。出于方便，本实施例中以对两个罐的热输入(单位为％)作为输入变量，以罐1的温度作为关键性能指标(输出变量)。被控对象的其他输入变量设置为标准工况的输入(分别为60％，55％和50％)
步骤一、初始化。将系统输入设为随即方波信号采集数据，进行控制算法初始化：
步骤A1、给定时间窗长度N＝50，在系统约束范围内将系统的输入置为随机方波激励信号下的50组输入输出数据，构造输入矩阵U50(k-1)和输出矩阵Y50(k-1)；
采用公式(1)计算输入矩阵的广义逆；
步骤A2、利用改进偏最小二乘算法计算回归模型初始值M(k-1)；如公式(2)
给定预测步长np＝50，如公式(3)计算预测模型
Figure GDA0003179843230000061
步骤A3、利用被控对象的期望输出ysp(k)计算上一时刻跟踪误差E(k-1)；
其中设定点设为：
Figure GDA0003179843230000062
利用公式(5)、(6)得到待求解二次型问题的相关参数Hk-1和fk-1；考虑到连续搅拌加热罐的热输入增量在一个采样间隔变动不超过0.2(Δuk≤0.2)，热输入上限100下限为0(0＜uk＜100)，构造对输入增量的约束如公式(8)，然后合约束矩阵C1、C2，得到上一时刻控制序列的增量ΔU(k-1)；
步骤A4、计算并储存当前时刻被控对象的输入uk(控制器输出)。
步骤二、在线更新。利用在线对被控对象的测量数据进行在线更新：
步骤B1、如公式(15)，计算当前时刻输入矩阵UN(k)的广义逆；
步骤B2、采集被控对象的在线输出测量数据yk，并更新回归模型和预测模型；
步骤B3、利用当前时刻跟踪误差E(k)计算待求解二次型问题的相关参数Hk和fk；并结合约束矩阵得到当前时刻控制序列的增量ΔU(k)；
步骤B4、计算并储存下一时刻被控对象的输入(控制器输出)uk+1，进而由被控对象的输入确定系统关键性能指标；
步骤三、若被控对象仍在运行中，则重复步骤二。
如图2所示为系统的跟踪控制效果；预测模型收敛性如图3所示，其中，测量值拟合(模型拟合准确度)为1时表示期望值与测量值完全拟合，跟踪误差等于0，从图中可以看出，本发明方法的跟踪误差非常小，接近0。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种数据驱动的系统关键性能指标自适应调节方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、将系统输入设为随机方波信号采集数据，进行所述方法的初始化：
步骤A1、设定时间窗长度，采集连续搅拌加热罐标准工业控制系统在随机方波激励信号下，过去时间窗长度的输入输出数据，构造截止上一时刻输入矩阵和截止上一时刻输出矩阵，并计算截止上一时刻输入矩阵的广义逆；
步骤A2、利用改进偏最小二乘法计算回归模型初始值进而得到预测模型；
步骤A3、利用连续搅拌加热罐标准工业控制系统的期望输出计算上一时刻跟踪误差，进而得到待求解二次型问题的相关参数；然后结合约束矩阵得到上一时刻控制序列的增量；
步骤A4、计算并储存当前时刻连续搅拌加热罐标准工业控制系统的输入；
步骤二、利用对连续搅拌加热罐标准工业控制系统的当前时刻测量数据进行所述方法的在线更新：
步骤B1、利用步骤A1中获得的截止上一时刻输入矩阵的广义逆和偏最小二乘算法计算当前时刻输入矩阵的广义逆；
步骤B2、采集连续搅拌加热罐标准工业控制系统的当前时刻输出的测量数据，并更新回归模型和预测模型；
步骤B3、利用当前时刻跟踪误差计算待求解二次型问题的相关参数；并结合约束矩阵得到当前时刻控制序列的增量；
步骤B4、计算并储存下一时刻连续搅拌加热罐标准工业控制系统的输入；进而由连续搅拌加热罐标准工业控制系统的输入确定系统关键性能指标；
步骤三、重复执行步骤二，直至系统运行结束。
2.根据权利要求1所述一种数据驱动的系统关键性能指标自适应调节方法，其特征在于，步骤A1中所述截止上一时刻输入矩阵的广义逆
Figure FDA0003514619020000011
具体为：
Figure FDA0003514619020000012
其中，N为时间窗长度，k表示当前时刻，
Figure FDA0003514619020000013
表示截止上一时刻输入矩阵；
Figure FDA0003514619020000014
表示k时刻连续搅拌加热罐标准工业控制系统的输入，
Figure FDA0003514619020000015
表示m维的实数向量空间；上标“T”表示转置，上标“+”表示广义逆。
3.根据权利要求1所述一种数据驱动的系统关键性能指标自适应调节方法，其特征在于，所述预测模型的具体计算过程包括：
利用改进偏最小二乘计算回归模型：
Figure FDA0003514619020000021
其中，M(k)表示k时刻的回归模型，
Figure FDA0003514619020000022
表示截止k时刻输入矩阵的广义逆；
Figure FDA0003514619020000023
表示截止k时刻输出矩阵；
Figure FDA0003514619020000024
表示k时刻连续搅拌加热罐标准工业控制系统的输出，
Figure FDA0003514619020000025
表示n维的实数向量空间；
给定预测步长为np，计算预测模型：
Figure FDA0003514619020000026
其中，n表示连续搅拌加热罐标准工业控制系统的输入数据的维数，m表示连续搅拌加热罐标准工业控制系统的输出数据的维数。
4.根据权利要求1所述一种数据驱动的系统关键性能指标自适应调节方法，其特征在于，所述跟踪误差的具体计算过程为：
Figure FDA0003514619020000027
其中，E(k)表示k时刻的跟踪误差，ysp(k)表示k时刻连续搅拌加热罐标准工业控制系统的期望输出，np为预测步长，yk表示k时刻连续搅拌加热罐标准工业控制系统的输出。
5.根据权利要求3所述一种数据驱动的系统关键性能指标自适应调节方法，其特征在于，所述控制序列的增量的具体计算过程包括：
计算待求解二次型问题的相关参数Hk和fk：
Figure FDA0003514619020000028
Figure FDA0003514619020000029
其中，Q和P均为权重矩阵，E(k)表示k时刻的跟踪误差；
给定符合实际情况的约束矩阵C1和C2，计算控制序列的增量：
Figure FDA00035146190200000210
C1ΔU(k)≤C2
其中，ΔU(k)表示k时刻控制序列的增量，
Figure FDA0003514619020000031
ΔU(k)中的元素Δuk表示k时刻连续搅拌加热罐标准工业控制系统的输入的增量。
6.根据权利要求5所述一种数据驱动的系统关键性能指标自适应调节方法，其特征在于，所述连续搅拌加热罐标准工业控制系统的输入的具体计算过程为：
uk+1＝uk+Δuk
其中，uk+1为k+1时刻的连续搅拌加热罐标准工业控制系统的输入，uk为k时刻的连续搅拌加热罐标准工业控制系统的输入。
7.根据权利要求6所述的一种数据驱动的系统关键性能指标自适应调节方法，其特征在于，步骤B1中所述利用步骤A1中获得的截止上一时刻输入矩阵的广义逆和偏最小二乘算法计算当前时刻输入矩阵的广义逆的具体过程包括：
计算偏最小二乘算法的减量形式的中间矩阵S：
Figure FDA0003514619020000032
利用
Figure FDA0003514619020000033
和偏最小二乘算法的减量形式计算
Figure FDA0003514619020000034
的广义逆：
Figure FDA0003514619020000035
计算偏最小二乘算法的增量形式的中间矩阵B、C、D：
Figure FDA0003514619020000036
C＝uk-DUN-1(k-1)
Figure FDA0003514619020000037
利用
Figure FDA0003514619020000038
和偏最小二乘算法的增量形式计算UN(k)的广义逆：
Figure FDA0003514619020000039
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