基于瀝青混合料攪拌設(shè)備中物料稱量系統(tǒng)的迭代學(xué)習(xí)控制算法的研究

摘 要：計量系統(tǒng)是瀝青攪拌設(shè)備的核心，計量控制系統(tǒng)的模型直接關(guān)系到瀝青攪拌設(shè)備的控制精度。研究迭代學(xué)習(xí)控制算法在瀝青攪拌計量系統(tǒng)中的應(yīng)用，是為提高我國高速公路路面施工質(zhì)量而引出的課題。

關(guān)鍵詞：計量系統(tǒng) 瀝青 控制精度 迭代學(xué)習(xí)控制算法

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）011-089-02

1 迭代學(xué)習(xí)控制的概述

早在上世紀(jì)初，就有人提出了迭代學(xué)習(xí)控制的概念，這個概念是出現(xiàn)在一篇有關(guān)控制機(jī)器人的文章上面。當(dāng)時文章以日文發(fā)表，但未能引起人們的重視。到了20世紀(jì)80年代Arimoto和他的合作者們將Uchiyama的初步研究思想進(jìn)一步完善，建立了實(shí)用算法，在理論上證明了迭代學(xué)習(xí)控制算法的可行性，正是由于這篇論文的發(fā)表，這個概念才開始被人們知曉，漸漸人們開始關(guān)注迭代學(xué)習(xí)控制這方面的問題。

由于這個控制算法的目標(biāo)在于將跟蹤任務(wù)能在有限的區(qū)域內(nèi)完成，利用的就是運(yùn)動重復(fù)的性質(zhì)，通過控制信號的原理對被控制系統(tǒng)完整精密控制。迭代學(xué)習(xí)控制算法就是首先嘗試對被操控系統(tǒng)發(fā)送信號，測量與期許目標(biāo)值有多少偏差，通過修正這些之前沒設(shè)計到的偏差修正信號，這樣才能提升跟蹤的可靠性與準(zhǔn)確性。這種控制算法的特征就是測量精度高，對于目前難以建立模型的情況和一些高精度軌跡、非線性耦合的跟蹤都有著很好地跟蹤效果，目前已經(jīng)被多領(lǐng)域使用。

2 迭代學(xué)習(xí)控制算法的數(shù)學(xué)模型

從整個迭代學(xué)習(xí)控制算法過程來看，被控制的計量系統(tǒng)中的向量函數(shù)在一次又一次相同的運(yùn)動情況下函數(shù)關(guān)系是確定并相同的，我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)以往控制經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確測量期許目標(biāo)值和輸出信號的參數(shù)值，這樣方便過后對比調(diào)整，從中找到最合適的一條輸入特性曲線，這樣才能盡量符合期望值?？梢哉f尋找輸入特性曲線的整個過程就是被控制系統(tǒng)不斷調(diào)整嘗試的過程。在數(shù)學(xué)上可以這樣表示，有限時間用t∈（0，T）表示，對于被控制系統(tǒng)的期望值用r（t）表示，利用有限時間和最初的期望值解出uk（t）和t∈（0，T），通過響應(yīng)修改，調(diào)整t∈（0，T），設(shè)迭代學(xué)習(xí)次數(shù)為k。

我們可以將這些連續(xù)控制的模型這樣表示：

模型公式中第一個公式x（t）指的是系統(tǒng)的狀態(tài)向量，屬于n維；第二個公式y(tǒng)（t）是系統(tǒng)的輸出向量，屬于m維，f和g為x（t）和y（t）相互對應(yīng)的向量函數(shù)，控制系統(tǒng)中的變量是u（t）。如果假設(shè)每次f，g在運(yùn)行狀態(tài)下的函數(shù)關(guān)系不發(fā)生改變，那么我們可以稱作其系統(tǒng)具有重復(fù)性。用k=0，1，2，3…表示重復(fù)操作次數(shù)，并用xk（t），yk（t），uk（t）分別表示第k次重復(fù)運(yùn)行時的系統(tǒng)狀態(tài)向量、控制向量、輸出向量，則連續(xù)型控制系統(tǒng)可表示為：

同理，對于離散型控制系統(tǒng)：

如果f，g在每次重復(fù)運(yùn)行時所表示的函數(shù)關(guān)系不變，則此離散控制系統(tǒng)是可重復(fù)的，可表示為：

系統(tǒng)的期望軌跡為給定區(qū)間（0，T）上的軌跡yd（t），第k次運(yùn)行時產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差為ek（t）= yd（t）-yk（t）。

3 物料稱量過程的迭代學(xué)習(xí)控制算法

瀝青混合料拌合設(shè)備中物料稱量的數(shù)學(xué)模型是非線性的不確定性模型，難用傳統(tǒng)的控制方法對其精確控制?；趯?shí)際考慮，在此采用在稱量過程中提前關(guān)閉給料斗門的方法，即在達(dá)到配方設(shè)定值之前關(guān)閉斗門，切斷物料流，等空中滯留的自由物料流全部落入計量斗后，所得的實(shí)際物料重量等于關(guān)門時的物料值與落差值之和。通過迭代控制思路最后只要使實(shí)際物料重量的設(shè)定值在允許偏差范圍之內(nèi)，就完成了物料的稱量精確控制，其受控過程見圖1。

由圖1可知，設(shè)給料斗門關(guān)門時提前量為x，則此刻計量斗內(nèi)物料重量W關(guān)為：

式中：n為給定值，此時計量斗內(nèi)物料的高度為：

則此刻物料在空中滯留高度h1（t）為：

可推出空中物料的重量為：

待空中的物料完全落入計量斗時，則最終物料實(shí)際重量W為：

如果配比設(shè)定值n一定時，則最終重量值受關(guān)門提前量x控制，以及與配料系統(tǒng)中的參數(shù) 空，p，H，s，r，有關(guān)，而這些參數(shù)中只有 空是難以確定的，但是一段時間內(nèi)，物料濕度變化是不大的，因此 空也可以看成是相對穩(wěn)定的參數(shù)。根據(jù)迭代學(xué)習(xí)控制算法，在物料稱量過程中，一定時間區(qū)間[t0，t1]上，假設(shè)公式中yd（t）代表的事期望值，那么經(jīng)過很多次稱量實(shí)驗(yàn)后，可以找到一個控制量u（t），然后讓[t0，t1]接近yd（t），也就是讓實(shí)際物料稱量接近期望軌跡的值，這樣方便在計量系統(tǒng)關(guān)閉斗門后掌握物料重量，就能達(dá)到對瀝青混合料拌精確控制物料的目標(biāo)。

4 結(jié)語

本文主要是對迭代學(xué)習(xí)控制算法對瀝青混合料拌合站中物料計量的精確控制的研究。在高速公路施工工藝中瀝青混合料的物料計量能否精確將直接影響到此工程的施工質(zhì)量，所以本文提出的迭代學(xué)習(xí)控制算法在高速公路建設(shè)中對其質(zhì)量的提高具有一定的重要意義。

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