CN114114914A - 应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法 - Google Patents

应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，所述模型参考适应控制系统包括参考模型、自适应控制器、自适应律和被控对象，所述方法根据模型参考适应控制系统在第一时间k1、第二时间k2自适应律调整下的自适应控制器的可调参数m的调整量对被控对象的性能实施监测。本发明采用模型参考适应控制系统对设备进行控制的同时，还根据模型参考适应控制系统中自适应控制器的可调参数的变化情况判断设备性能的变化是否在允许范围内，这样在对设备进行控制的同时就可以实现对设备性能的监测，无需针对性能监测增加监测所用传感器，从而避免了因增设传感器而带来的成本、安装及使用问题。

Description

应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法
技术领域
本发明涉及一种应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法。
背景技术
目前，通常通过检测设备的性能或功能参数实现对设备性能的监测。但是，检测设备的性能或功能参数往往需要增加专用的传感器，这样不但会增加成本、占用空间，而且还需要考虑传感器的布置、传感器自身的可靠性以及传感器到数据处理单元之间的数据传输问题。
当然，对于设备的性能监测，还可以通过收集设备的输入输出数据，利用系统辨识等方法对设备进行辨识，从而得到设备的数学模型，并根据设备的数学模型的参数变化实现对设备性能的监测。与前述方法相似，该方法同样依赖于传感器来实现数据收集，因此具有相似的缺点。
另一方面，设备大多数情况下是控制器的被控对象，在控制器的控制作用下实现其功能。此时，性能或功能参数的变化不单单受到设备自身性能变化的影响，可能还会受到控制器的控制作用的影响。
因此，如何简便、低成本地准确实现对设备的性能监测就成为一个有待解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，可以解决设备性能监测的现有技术中需要依赖传感器才能实现的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，所述模型参考适应控制系统包括参考模型、自适应控制器、自适应律和被控对象，所述方法根据模型参考适应控制系统在第一时间k1、第二时间k2自适应律调整下的自适应控制器的可调参数m的调整量对被控对象的性能实施监测。
进一步的，当被控对象在第一时间k1、第二时间k2的外部工况不同时，首先确定第二时间k2的外部工况相对于第一时间k1的外部工况的变化量以及外部工况的变化量对所述被控对象的作用，然后在所述参考模型处增加等效于外部工况的变化量对所述被控对象的作用的补偿作用，最后根据自适应律调整下的自适应控制器的可调参数m的调整量对被控对象的性能实施监测。
进一步的，在相同的输入信号作用下，当所述外部工况的变化为所述被控对象受到负载和/或外部干扰的作用且所述负载和/或外部干扰为已知量时，以所述参考模型的预期输出信号和等效被控对象在所述负载和/或外部干扰的作用下的输出信号的差值作为所述参考模型在所述负载和/或外部干扰作用下的预期输出信号，所述负载和/或外部干扰对所述等效被控对象的作用与所述负载和/或外部干扰对所述被控对象的作用相同。
进一步的，所述可调参数的调整量为Δm＝m(k2)-m(k1)，其中k1表示第一时间，k2表示不同于第一时间k1的第二时间，且被控对象在第一时间k1未出现性能劣化。
进一步的，所述第一时间k1和所述第二时间k2是具体某一时刻或具有一定长度时长的时间窗。
进一步的，当第一时间k1和所述第二时间k2是时间窗时，所述自适应控制器在第一时间k1和第二时间k2的可调参数为在时间窗内各时刻的可调参数的平均值或最大值或最小值。
进一步的，所述自适应控制器的可调参数m在所述自适应律调整下的调整量相对于所述被控对象的性能变化呈单调性。
进一步的，所述可调参数的调整量为调整量Δm的变化状态，所述变化状态包括变化幅度、变化速度、变化趋势中的至少一种。
进一步的，所述被控对象在第一时间k1和第二时间k2的外部工况相同。
进一步的，被控对象在第一时间k1和第二时间k2都处于稳定状态。
进一步的，当所述第一时间k1和所述第二时间k2为具体时刻时，所述稳定状态是指参考模型的输出与被控对象的实际输出的差值小于第一阈值或者自适应律对自适应控制器的可调参数的调整量的变化幅度和/或变化速度小于第二阈值或者自适应控制器的可调参数调整到设定临界值所用时间不超过第三阈值，所述设定临界值为被控对象的性能被判定出现性能劣化的阈值；当所述第一时间k1和所述第二时间k2为时间窗时，所述稳定状态是指参考模型的输出与被控对象的实际输出的差值小于第一阈值且持续设定时间或者自适应律对自适应控制器的可调参数的调整量的变化幅度和/或变化速度小于第二阈值且持续设定时间或者自适应控制器的可调参数调整到设定临界值所用时间不超过第三阈值且持续设定时间。
进一步的，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，预先验证所述自适应控制器的可调参数的调整量与所述被控对象的性能满足单调性；
步骤S2，记录在第一时间k1所述自适应控制器的可调参数m(k1)并将其作为监测基准值；
步骤S3，判断当前时间是否满足第二时间k2的要求，若满足则进入步骤S4，否则，持续判断直至满足第二时间k2的要求；
步骤S4，记录在当前时间所述自适应控制器的可调参数m(k2)；
步骤S5，计算当前时间所述自适应控制器的可调参数m(k2)与所述监测基准值m(k1)间的差值；
步骤S6，根据所述差值与第四阈值间的大小关系以及所述差值的单调性判断所述被控对象的性能是否出现性能劣化。
进一步的，在步骤S6中，当所述被控对象被判定为出现性能劣化时，进一步根据所述差值相对于所述监测基准值的大小得到所述被控对象性能劣化的量化结果。
进一步的，当满足如下任一条件时，所述性能监测方法判定所述被控对象出现性能劣化：
1)可调参数的调整量为调整量Δm的变化状态的变化幅度超过第五阈值；
2)可调参数的调整量为调整量Δm的变化状态的变化速度超过第六阈值；
3)可调参数的调整量达到设定临界值所需时间超过第七阈值，所述设定临界值为被控对象的性能被判定出现性能劣化的阈值。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果在于：
第一，本发明采用模型参考适应控制系统对设备进行控制的同时，还根据模型参考适应控制系统中自适应控制器的可调参数的变化情况判断设备性能的变化是否在允许范围内，这样在对设备进行控制的同时就可以实现对设备性能的监测，无需针对性能监测增加监测所用传感器，从而避免了因增设传感器而带来的成本、安装及使用问题；
第二，本发明在被控对象受到负载和/或外部干扰的影响下，将负载和/或外部干扰作为已知量进行处理，对模型参考适应控制系统进行改进，充分考虑负载和/或外部干扰对被控对象的影响，从而保证负载和/或外部干扰对性能监测结果的影响，进一步提高被控对象受到可测干扰或不可测干扰时监测的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例一和实施例二所采用的模型参考适应控制系统的示意图；
图2为本发明实施例三所采用的模型参考适应控制系统的示意图；
图3为本发明的性能监测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可以由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明亦可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，本领域技术人员在不背离本发明的精神下可以进行各种类似推广和替换。
实施例一
本实施例的模型参考适应控制系统，如图1所示，包括参考模型M(S)、自适应控制器C(S)、自适应律和被控对象G(S)，其中，所述被控对象G(S)是在所述自适应控制器C(S)的控制下实现既定功能的设备或系统，例如电梯系统中的门系统和曳引驱动系统等，所述自适应控制器C(S)是对所述被控对象G(S)进行控制以使所述被控对象G(S)实现既定功能的具有可调参数的控制器，所述参考模型M(S)是表示所述被控对象G(S)在所述自适应控制器C(S)的控制下的期望输入输出特性的预设数学模型，所述自适应律根据在相同的输入信号r(t)下所述参考模型M(S)的预期输出信号与所述被控对象G(S)的输出信号的差异对所述自适应控制器C(S)的可调参数进行调节从而使得所述被控对象G(S)的输入输出特性与所述参考模型M(S)的期望输入输出特性的差异保持在预设范围内，此时参考模型M(S)即为由自适应控制器C(S)和被控对象G(S)构成的整体的数学模型。
如果被控对象的期望特性为G’(S)、自适应控制器的期望特性为C’(S)，则参考模型M(S)可表示为：
M(S)＝C’(S)·G’(S)/(1+C’(S)·G’(S))
由上述分析可知，如果参考模型M(S)保持不变，即使是被控对象发生了变化，自适应控制器C(S)在自适应律的调节下，其可调参数发生改变，可调参数的变化能够抵消被控对象G(S)的变化，从而使得由自适应控制器C(S)和被控对象G(S)构成的整体的特性与参考模型M(S)的特性保持一致性。因此，自适应控制器C(S)的可调参数的变化情况能够反映被控对象G(S)的变化。
这样，在被控对象G(S)的使用过程中，只需要比较自适应控制器C(S)的可调参数相对于被控对象G(S)投入使用的开始阶段中自适应控制器C(S)的可调参数的变化就可实现对被控对象G(S)的性能监测。
具体地，本实施例的应用于模型参考适应控制系统中的被控对象G(S)的性能监测方法根据模型参考适应控制系统在第一时间k1、第二时间k2自适应律调整下的自适应控制器C(S)的可调参数m的调整量对被控对象G(S)的性能实施监测。
所述可调参数的调整量为Δm＝m(k2)-m(k1)，其中k1表示第一时间，k2表示不同于第一时间k1的第二时间，且被控对象G(S)在第一时间k1未出现性能劣化。
所述第一时间k1和所述第二时间k2是具体某一时刻或具有一定长度时长的时间窗。当第一时间k1和所述第二时间k2是时间窗时，所述自适应控制器C(S)在第一时间k1和第二时间k2的可调参数为在时间窗内各时刻的可调参数的平均值或最大值(正单调性时)或最小值(负单调性时)。
所述自适应控制器C(S)的可调参数m在所述自适应律调整下的调整量相对于所述被控对象G(S)的性能变化呈单调性，即调整量(可有正负之分)随性能的劣化而呈现出单调性变化，例如被控对象G(S)的性能下降越多，可调参数(相对于最初状态时)的变化量越大。
所述可调参数的调整量为调整量Δm的变化状态，所述变化状态包括变化幅度(即Δm的大小)、变化速度、变化趋势中的至少一种。
本实施例利用自适应控制器C(S)的可调参数的变化情况反映被控对象G(S)的变化，这样在对被控对象(具体设备或系统)进行控制的同时就可以实现对性能的监测，无需针对性能监测增加监测所用传感器，从而避免了因增设传感器而带来的成本、安装及使用问题。
实施例二
在实施例一的基础上，本实施例对被控对象在控制及性能监测过程中的工况加以限定，并详细说明在对应工况下的处理过程。
具体地，所述被控对象在第一时间k1和第二时间k2的外部工况相同，如图1所示，即被控对象在所有时间的输入相同，均为输入信号r(t)。
而且，被控对象在第一时间k1和第二时间k2都处于稳定状态，具体情况如下：
当所述第一时间k1和所述第二时间k2为具体时刻时，所述稳定状态是指参考模型的输出与被控对象的实际输出的差值小于第一阈值或者自适应律对自适应控制器的可调参数的调整量的变化幅度和/或变化速度小于第二阈值或者自适应控制器的可调参数调整到设定临界值所用时间不超过第三阈值，所述设定临界值为被控对象的性能被判定出现性能劣化的阈值；
当所述第一时间k1和所述第二时间k2为时间窗时，所述稳定状态是指参考模型的输出与被控对象的实际输出的差值小于第一阈值且持续设定时间或者自适应律对自适应控制器的可调参数的调整量的变化幅度和/或变化速度小于第二阈值且持续设定时间或者自适应控制器的可调参数调整到设定临界值所用时间不超过第三阈值且持续设定时间。
在被控对象G(S)投入使用的开始阶段，当在自适应控制器C(S)的控制下被控对象G(S)的输出yp(t)与参考模型M(S)的输出ym(t)之间的差值e(t)小于第一阈值时，记录此时自适应控制器C(S)的可调参数，并将其作为后续可调参数的基准值。
为了实现对被控对象的性能监测或性能劣化检测，持续记录在自适应控制器C(S)的控制下被控对象G(S)的输出yp’(t)与参考模型M(S)的输出ym(t)之间的差值e’(t)，当新得到的差值e’(t)小于第一阈值但可调参数的当前值相对于可调参数的基准值的变化超过设定值时，则认为被控对象出现了性能劣化。
具体地，在本实施例中，如图3所示，所述性能监测方法包括如下步骤：
步骤S1，预先验证所述自适应控制器的可调参数的调整量与所述被控对象的性能满足单调性，主要根据机理分析或通过实验测试方法；
步骤S2，记录在第一时间k1所述自适应控制器的可调参数m(k1)并将其作为监测基准值；
步骤S3，判断当前时间是否满足第二时间k2的要求(即工况相同且被控对象处于稳定状态)，若满足则进入步骤S4，否则，持续判断直至满足第二时间k2的要求；
步骤S4，记录在当前时间所述自适应控制器的可调参数m(k2)；
步骤S5，计算当前时间所述自适应控制器的可调参数m(k2)与所述监测基准值m(k1)间的差值；
步骤S6，根据所述差值与第四阈值间的大小关系以及所述差值的单调性判断所述被控对象的性能是否出现性能劣化。
当满足如下任一条件时，所述性能监测方法判定所述被控对象G(S)出现性能劣化：
1)可调参数的调整量为调整量Δm的变化状态的变化幅度超过第五阈值；
2)可调参数的调整量为调整量Δm的变化状态的变化速度超过第六阈值；
3)可调参数的调整量达到设定临界值所需时间超过第七阈值，所述设定临界值为被控对象G(S)的性能被判定出现性能劣化的阈值。
在步骤S6中，当所述被控对象被判定为出现性能劣化时，进一步可以根据所述差值相对于所述监测基准值的大小得到所述被控对象性能劣化的量化结果。
本实施例中被控对象在性能监测过程的两个时间处于相同的外部工况，这样只需要保证被控对象处于稳定状态就可以根据自适应控制器的可调参数的变化情况反映被控对象的变化，从而在不增设传感器的基础上简便地实现性能监测。
实施例三
本实施例与实施例二的原理相同，不同之处在于本实施例中被控对象在性能监测的两个时间所处的工况不同，因此需要考虑外部工况的变化对被控对象的影响。
具体地，当被控对象在第一时间k1、第二时间k2的外部工况不同时，首先确定第二时间k2的外部工况相对于第一时间k1的外部工况的变化量以及外部工况的变化量对所述被控对象的作用，然后在所述参考模型处增加一补偿作用，该补偿作用等效于外部工况的变化量对所述被控对象的作用，最后根据自适应律调整下的自适应控制器的可调参数m的调整量对被控对象的性能实施监测。
如图2所示，在相同的输入信号r(t)作用下，当所述外部工况的变化为所述被控对象G(S)受到负载和/或外部干扰的作用且所述负载和/或外部干扰为已知量时，以所述参考模型M(S)的预期输出信号和等效被控对象在所述负载和/或外部干扰的作用下的输出信号的差值作为所述参考模型M(S)在所述负载和/或外部干扰作用下的预期输出信号，所述负载和/或外部干扰对所述等效被控对象的作用与所述负载和/或外部干扰对所述被控对象G(S)的作用相同。
在实施例二中，被控对象实际上同时包含了被控对象自身以及在自适应控制器的控制作业下被控对象实现其既定功能的过程中受到的外部干扰。此外，当被控对象还具有工作负载时，实施例二中的被控对象还包含了工作负载，也就是说，实施例二中的被控对象包含了整个控制系统中除自适应控制器C(S)外的其它所有部分。
对于包含有工作负载的被控对象，不同的工作负载会导致被控对象处于不同的工况，而在不同工况下被控对象的输入输出特性也会不同。因此，为了能够准确监测被控对象的性能，需要保证被控对象在第二时间的工作负载和在第一时间的工作负载应当是相同的。
在工程实践中，对于可能会影响被控对象的输入输出特性的负载和/或干扰可以利用检测装置检测得到，还可以利用观测器(未知输入观测器UIO、扩张状态观测器ESO等)通过观测估计得到。这种情况下就可以将观测到的负载和/或干扰作为已知量进行处理。
如图2所示，被控对象分为G1(S)和G2(S)两部分，以电梯驱动系统为例，G1(S)对应于驱动用电机的定子电压方程和电磁转矩方程，G2(S)对应于电梯驱动系统的机械运动方程，d(t)为轿厢自重、对重、轿内载荷等可测的表现为阻碍驱动电机转动的负载力矩，再或者是曳引滑轮、曳引钢丝绳、轿厢自重、对重、轿内载荷、移动中导靴与导轨间的摩擦产生的摩擦力、轿厢在井道中移动受到的风阻等可通过观测或估计得到的负载和外部干扰。
此时，在参考模型处增加一等效被控对象，等效被控对象G3(S)＝G2(S)/(1+C(S)G1(S)G2(S))，这样d(t)对被控对象的影响已被G3(S)抵消，此时参考模型M(S)仅对应于自适应控制器C(S)和被控对象G1(S)G2(S)，而非包含负载和外部干扰，因此，在后续的性能监测中可以忽略被控对象的不同工况。
虽然本实施例中被控对象在性能监测的两个时间所处的工况不同，但是与实施例二相同，被控对象在第一时间k1和第二时间k2都处于稳定状态，而且性能监测方法与实施例二相同，故在此不重复描述。
本实施例在被控对象受到负载和/或外部干扰的影响下，将负载和/或外部干扰作为已知量进行处理，对模型参考适应控制系统进行改进，充分考虑负载和/或外部干扰对被控对象的影响，从而保证负载和/或外部干扰对性能监测结果的影响，进一步提高被控对象受到可测干扰或不可测干扰时监测的准确性。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，本发明并不局限于上述实施方式。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员做出的等效置换和改进，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。

Claims (14)

1.一种应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，所述模型参考适应控制系统包括参考模型、自适应控制器、自适应律和被控对象，其特征在于，所述方法根据模型参考适应控制系统在第一时间k1、第二时间k2自适应律调整下的自适应控制器的可调参数m的调整量对被控对象的性能实施监测。
2.根据权利要求1所述的应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，其特征在于，当被控对象在第一时间k1、第二时间k2的外部工况不同时，首先确定第二时间k2的外部工况相对于第一时间k1的外部工况的变化量以及外部工况的变化量对所述被控对象的作用，然后在所述参考模型处增加等效于外部工况的变化量对所述被控对象的作用的补偿作用，最后根据自适应律调整下的自适应控制器的可调参数m的调整量对被控对象的性能实施监测。
3.根据权利要求2所述的应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，其特征在于，在相同的输入信号作用下，当所述外部工况的变化为所述被控对象受到负载和/或外部干扰的作用且所述负载和/或外部干扰为已知量时，以所述参考模型的预期输出信号和等效被控对象在所述负载和/或外部干扰的作用下的输出信号的差值作为所述参考模型在所述负载和/或外部干扰作用下的预期输出信号，所述负载和/或外部干扰对所述等效被控对象的作用与所述负载和/或外部干扰对所述被控对象的作用相同。
4.根据权利要求1所述的应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，其特征在于，所述被控对象在第一时间k1和第二时间k2的外部工况相同。
5.根据前述任一权利要求所述的应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，其特征在于，所述可调参数的调整量为Δm＝m(k2)-m(k1)，其中k1表示第一时间，k2表示不同于第一时间k1的第二时间，且被控对象在第一时间k1未出现性能劣化。
6.根据权利要求5所述的应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，其特征在于，所述第一时间k1和所述第二时间k2是具体某一时刻或具有一定长度时长的时间窗。
7.根据权利要求6所述的应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，其特征在于，当第一时间k1和所述第二时间k2是时间窗时，所述自适应控制器在第一时间k1和第二时间k2的可调参数为在时间窗内各时刻的可调参数的平均值或最大值或最小值。
8.根据前述任一权利要求所述的应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，其特征在于，所述自适应控制器的可调参数m在所述自适应律调整下的调整量相对于所述被控对象的性能变化呈单调性。
9.根据前述任一权利要求所述的应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，其特征在于，所述可调参数的调整量为调整量Δm的变化状态，所述变化状态包括变化幅度、变化速度、变化趋势中的至少一种。
10.根据前述任一权利要求所述的应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，其特征在于，被控对象在第一时间k1和第二时间k2都处于稳定状态。
11.根据权利要求10所述的应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，其特征在于，当所述第一时间k1和所述第二时间k2为具体时刻时，所述稳定状态是指参考模型的输出与被控对象的实际输出的差值小于第一阈值或者自适应律对自适应控制器的可调参数的调整量的变化幅度和/或变化速度小于第二阈值或者自适应控制器的可调参数调整到设定临界值所用时间不超过第三阈值，所述设定临界值为被控对象的性能被判定出现性能劣化的阈值；当所述第一时间k1和所述第二时间k2为时间窗时，所述稳定状态是指参考模型的输出与被控对象的实际输出的差值小于第一阈值且持续设定时间或者自适应律对自适应控制器的可调参数的调整量的变化幅度和/或变化速度小于第二阈值且持续设定时间或者自适应控制器的可调参数调整到设定临界值所用时间不超过第三阈值且持续设定时间。
12.根据权利要求10所述的应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，预先验证所述自适应控制器的可调参数的调整量与所述被控对象的性能满足单调性；
步骤S2，记录在第一时间k1所述自适应控制器的可调参数m(k1)并将其作为监测基准值；
步骤S3，判断当前时间是否满足第二时间k2的要求，若满足则进入步骤S4，否则，持续判断直至满足第二时间k2的要求；
步骤S4，记录在当前时间所述自适应控制器的可调参数m(k2)；
步骤S5，计算当前时间所述自适应控制器的可调参数m(k2)与所述监测基准值m(k1)间的差值；
步骤S6，根据所述差值与第四阈值间的大小关系以及所述差值的单调性判断所述被控对象的性能是否出现性能劣化。
13.根据权利要求12所述的应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，其特征在于，在步骤S6中，当所述被控对象被判定为出现性能劣化时，进一步根据所述差值相对于所述监测基准值的大小得到所述被控对象性能劣化的量化结果。
14.根据权利要求8所述的应用于模型参考适应控制系统中的被控对象的性能监测方法，其特征在于，当满足如下任一条件时，所述性能监测方法判定所述被控对象出现性能劣化：
1)可调参数的调整量为调整量Δm的变化状态的变化幅度超过第五阈值；
2)可调参数的调整量为调整量Δm的变化状态的变化速度超过第六阈值；
3)可调参数的调整量达到设定临界值所需时间超过第七阈值，所述设定临界值为被控对象的性能被判定出现性能劣化的阈值。
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