1.多阶段间歇过程二维抗干扰预测控制器设计方法，其特征在于：包括以下具体步骤：
步骤1、根据所给出的状态空间模型，引入状态误差和跟踪误差将状态空间模型转换为基于2D-FM模型为框架，在干扰下的扩展空间模型，具体是：
1.1在考虑干扰的前提下，根据所给出的模型，建立第i阶段的状态空间模型：
其中，t表示间歇过程在批次内所处的运行时刻，k表示间歇过程所处的批次，xi(t,k)，yi(t,k)，ui(t,k),ωi(t,k)分别代表第i阶段k批次t时刻的系统状态、系统输出、系统输入和系统外部干扰，Ai，Bi，Ci表示适当维数的系统矩阵；
1.2针对i阶段分别定义控制律；状态误差；输出跟踪误差:
ui(t,k)＝ui(t,k-1)+ri(t,k)
Δxi(t,k)＝xi(t,k)-xi(t,k-1)
1.3获得t时刻，i阶段，k批次的2D-FM模型：
令 则可获得t时刻，i阶段，k批次的2D-FM模型：
其中，
C'i＝[0 Ii],
矩阵中的0表示零矩阵；
1.4将上述模型再现为新的切换系统模型为：
其中，σ(t,k):Z+→N:＝{1,2,L,N}表示的是切换信号，它可能与时间或系统状态相关，N是子系统的阶段数，切换序列定义为
其中
[(Tinki,σTin)ki]连接前一个批次的结束和下一个批次开始的连接点；
所有连续间断的时间间隔满足 代表i阶段，k批次运行时间；
为不同阶段的驻留时间，并且它的取值依赖于李雅普诺夫函数， B′σ(t,k),Hσ(t,k)分别对应于步骤1.3中i阶段模型中的矩阵；
步骤2、针对不同阶段的性能指标，求出不同阶段最优控制器及系统外部干扰；
步骤3、依赖于Lyapunov函数的稳定理论，得出在干扰影响下系统稳定的条件和最小运行时间，并设计满足系统稳定的切换信号。
2.根据权利要求1所述的多阶段间歇过程二维抗干扰预测控制器设计方法，其特征在于：所示步骤2具体包括以下步骤：
2.1选取相应的性能指标：
其中，Ui>0,Ri>0,Ui,Ri,γi为误差加权矩阵，g2.2结合第i阶段的2D-FM模型，预测控制输出模型：
其中：
2.3考虑相应的性能指标，利用康特里亚金最小值原理，求出不同阶段最优控制器：
求出系统外部的干扰：
3.根据权利要求1所述的多阶段间歇过程二维抗干扰预测控制器设计方法，其特征在于：所述步骤3具体包括以下步骤：
3.1定义函数：
其中，Pi(t,k)为对称正定矩阵且
则在干扰影响下只要下列不等式成立：
其中，标量满足αi,βi＞1，0＜ηi＜1， 为正定矩阵，则闭环系统
稳定运行且对每一个阶段T-CI≥αi,K-CI≥βi,2D-CI≥ρi＝min{αi,βi}，ηi＝(ρi)-1，切换信号满足： 最小运行时间为 向上取整。
技术领域
[0001] 本
发明属于工业过程的
先进控制领域，涉及一种多阶段间歇过程二维抗干扰预测控制器设计方法。
背景技术
[0002] 随着社会的高速发展，工业化的持续推进经及个人收入的不断增加，对塑料机械设备的需求逐步增长。经过多年的技术引进和技术创新，中国的低端
注塑机械出口已占据了世界的半壁江山。而我国注塑机与国外的主要差距表现在生产效率低，精密化、微型化、大型化装备生产技术不足，以及自动化控制
水平低。在不改变原有设备的前提下，设计一个高效节能控制器十分必要。
[0003] 目前，单一阶段的高精控制已经成熟，但是，多阶段的高精控制尚未成熟，虽然也有一定的研究成果，但是在整个过程中控制器增益不能调节。在实际生产的过程中，存在漂移、过程非线性和系统外部干扰等因素，随着时间的推移，其控制系统性能下降，每一个阶段的运行时间加长，切换时间会发生改变。如果不能及时的修复控制器和设计切换
信号以改善产品
质量，将会降低控制系统所带来的经济效益。而多阶段的高精控制最好的方法就是预测控制。
[0004] 为了解决上述存在的技术问题，本发明提出了模型预测控制结合
迭代学习控制的新
算法。其思想的精髓是:“随机应变，灵活变通”。
发明内容
[0005] 针对间歇过程需控制的重要阶段，设计其抗干扰混杂稳定H∞控制器。针对原有二维控制器抗干扰能
力弱等问题，定义
跟踪误差和状态误差，建立2D-FM模型。选取相应的性能指标，求出控制器增益矩阵及其系统干扰。得出系统稳定运行的条件，并求出每个子系统的最小运行时间。最终达到控制精确、高效绿色、节能减耗等目标。
[0006] 本发明目的是在批次生产中存在干扰的前提下，控制器也依然可以使系统稳定运行。该方法首先根据所给出的
状态空间模型，引入状态误差和跟踪误差将状态空间模型转换为基于2D-FM模型为
框架的扩展空间模型，进一步针对不同阶段的性能指标，求出不同阶段最优控制器及系统干扰表示，最后依赖于Lyapunov函数的稳定理论，并采用平均驻留时间的方法，得出系统稳定的条件和最小运行时间，并设计满足系统稳定的切换信号。该方法保证了系统在有干扰的环境下，依然可以稳定运行。此方法得出的结果不需引用任何其它变量，简单易行。不仅保证系统具有最优控制性能的同时，还使得系统运行时间缩短，即提高了生产效率。
[0007] 多阶段间歇过程二维抗干扰预测控制器设计方法，包括以下具体步骤：
[0008] 步骤1、根据所给出的状态空间模型，引入状态误差和跟踪误差将状态空间模型转换为基于2D-FM模型为框架，在干扰下的扩展空间模型，具体是：
[0009] 1.1在考虑干扰的前提下，根据所给出的模型，建立第i阶段的状态空间模型：
[0010]
[0011] 其中，t表示间歇过程在批次内所处的运行时刻，k表示间歇过程所处的批次，xi(t,k)，yi(t,k)，ui(t,k),ωi(t,k)分别代表第i阶段k批次t时刻的系统状态、系统输出、系统输入和系统外部干扰，Ai，Bi，Ci表示适当维数的系统矩阵；
[0012] 1.2针对i阶段分别定义控制律；状态误差；输出跟踪误差:
[0013] ui(t,k)＝ui(t,k-1)+ri(t,k)
[0014] Δxi(t,k)＝xi(t,k)-xi(t,k-1)
[0015]
[0016] 1.3获得t时刻，i阶段，k批次的2D-FM模型：
[0017] 令 则可获得t时刻，i阶段，k批次的2D-FM模型：
[0018]
[0019] 其中，
[0020]
[0021] 矩阵中的0表示零矩阵；
[0022] 1.4将上述模型再现为新的切换系统模型为：
[0023]
[0024] 其中， 表示的是切换信号，它可能与时间或系统状态相关，N是子系统的阶段数，切换序列定义为
其中
连接前一个批次的结束和下一个批次开始的连接点；
[0025] 所有连续间断的时间间隔满足 代表i阶段，k批次运行时间；τi为不同阶段的驻留时间，并且它的取值依赖于李雅普诺夫函数， B
′σ(t,k),Hσ(t,k)分别对应于步骤1.3中i阶段模型中的矩阵；
[0026] 步骤2、针对不同阶段的性能指标，求出不同阶段最优控制器及系统外部干扰；
[0027] 步骤3、依赖于Lyapunov函数的稳定理论，得出在干扰影响下系统稳定的条件和最小运行时间，并设计满足系统稳定的切换信号。
[0028] 进一步地，所示步骤2具体包括以下步骤：
[0029] 2.1选取相应的性能指标：
[0030]
[0031] 其中，Ui>0,Ri>0,Ui,Ri,γi为误差加权矩阵，g
[0032] 2.2结合第i阶段的2D-FM模型，预测控制输出模型：
[0033]
[0034] 其中：
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039] 2.3考虑相应的性能指标，利用康特里亚金最小值原理，求出不同阶段最优控制器：
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
[0044] 求出系统外部的干扰：
[0045]
[0046]
[0047] 进一步地，所述步骤3具体包括以下步骤：
[0048] 3.1定义函数：
[0049]
[0050] 其中，Pi(t,k)为对称正定矩阵且
[0051] 则在干扰影响下只要下列不等式成立：
[0052]
[0053]
[0054]
[0055] 其中，标量满足αi,βi＞1，0＜ηi＜1， 为正定矩阵，则闭环系统稳定运行且对每一个阶段T-CI≥αi,K-CI≥βi,2D-CI≥ρi＝min{αi,βi}，ηi＝(ρi)-1，切换信号满足： 最小运行时间为 向上取整。
[0056] 本发明的有益效果为：该方法保证了系统在有干扰的环境下，依然可以稳定运行。此方法得出的结果不需引用任何其它变量，简单易行。不仅保证系统具有最优控制性能的同时，还使得系统运行时间缩短，即提高了生产效率，最终达到控制精确、高效绿色、节能减耗等目标。
附图说明
[0057] 图1为传统一维理念的控制方法与本发明提出的二维方法系统输入比较图。
[0058] 图2为传统一维理念的控制方法与本发明提出的二维方法系统误差比较图。
[0059] 图3为传统一维理念的控制方法与本发明提出的二维方法系统输出比较图。
具体实施方式
[0060] 下面结合附图和具体
实施例对本发明做进一步的说明。
[0061] 如图1-图3所示，多阶段间歇过程二维抗干扰预测控制器设计方法，包括以下具体步骤：
[0062] 步骤1、根据所给出的状态空间模型，引入状态误差和跟踪误差将状态空间模型转换为基于2D-FM模型为框架，在干扰下的扩展空间模型，具体是：
[0063] 1.1在考虑干扰的前提下，根据所给出的模型，建立第i阶段的状态空间模型：
[0064]
[0065] 其中，t表示间歇过程在批次内所处的运行时刻，k表示间歇过程所处的批次，xi(t,k)，yi(t,k)，ui(t,k),ωi(t,k)分别代表第i阶段k批次t时刻的系统状态、系统输出、系i i i统输入和系统外部干扰，A，B，C表示适当维数的系统矩阵；
[0066] 1.2针对i阶段分别定义控制律；状态误差；输出跟踪误差：
[0067] ui(t,k)＝ui(t,k-1)+ri(t,k)
[0068] Δxi(t,k)＝xi(t,k)-xi(t,k-1)
[0069]
[0070] 1.3获得t时刻，i阶段，k批次的2D-FM模型，令 则可获得t时刻，i阶段，k批次的2D-FM模型：
[0071]
[0072] 其中，
[0073]矩阵
中的0表示零矩阵；
[0074] 1.4将上述模型再现为新的切换系统模型为：
[0075]
[0076] 其中， 表示的是切换信号，它可能与时间或系统状态相关，N是子系统的阶段数，切换序列定义为
其中
连接前一个批次的结束和下一个批次开始的连接点；
[0077] 所有连续间断的时间间隔满足 代表i阶段，k批次运行时间；τi为不同阶段的驻留时间并且它的取值依赖于李雅普诺夫函数； B
′σ(t,k),Hσ(t,k)分别对应于步骤1.3中i阶段模型中的矩阵；
[0078] 步骤2、针对不同阶段的性能指标，求出不同阶段最优控制器及系统外部干扰；
[0079] 2.1选取相应的性能指标：
[0080]
[0081] 其中，Ui>0,Ri>0,Ui,Ri,γi为误差加权矩阵，g
[0082] 2.2结合第i阶段的2D-FM模型，预测控制输出模型：
[0083]
[0084] 其中：
[0085]
[0086]
[0087]
[0088]
[0089] 2.3考虑相应的性能指标，利用康特里亚金最小值原理，求出不同阶段最优控制器：
[0090]
[0091]
[0092]
[0093]
[0094] 求出系统外部的干扰：
[0095]
[0096]
[0097] 步骤3、依赖于Lyapunov函数的稳定理论，得出在干扰影响下系统稳定的条件和最小运行时间，并设计满足系统稳定的切换信号；
[0098] 3.1定义函数
[0099]
[0100] 其中，Pi(t,k)为对称正定矩阵且
[0101] 则在干扰影响下只要下列不等式成立：
[0102]
[0103]
[0104]
[0105] 其中，标量满足αi,βi＞1，0＜ηi＜1， 为正定矩阵，则闭环系统稳定运行且对每一个阶段T-CI≥αi,K-CI≥βi,2D-CI≥ρi＝min{αi,βi}，ηi＝(ρi)-1，切换信号满足： 最小运行时间为 向上取整。
[0106] 实施例
[0107] 注塑过程是典型的间歇生产过程，每一批次包含五个步骤，即合模→注射→保压→冷却→开模。在注射段，螺杆向前运动将储存在机筒前端的熔体(原材料经加热圈加热后形成)向前
挤压，流经浇道，流道，浇口，进入已经闭合的模具型腔(模腔)内。当模腔完全充满之后，成型过程由注射段切换至保压段。在保压段中，螺杆以很低的速度向前推进，以保持一定的
喷嘴压力。少量的熔体继续进入模腔，补偿由于材料降温和
固化造成的体积收缩。一旦模具中截面积最小的浇口基本固化，保压段停止，过程进入冷却段，理想情况下此时熔体流动应停止。注射机构在冷却段进行塑化,为下一个循环做好准备；与此同时,在模腔中的材料继续冷却直至完全固化。最后，模具打开，顶针将制品顶出，完成一个循环。
[0108] 因此，
注塑成型过程主要包含注射、保压、冷却三个阶段。注射段、保压段的控制效果对产品最终质量具有直接影响，其中注射段注射速度、保压段模腔压力对相应阶段控制效果影响最大，需要控制跟踪给定值。这两个参数都是由相应的
阀门进行控制，阀门开度影响参数。此外，在注射段，模腔压力达到一定值时，过程进入保压段，因而在注射段模腔压力需要被检测但是不需要被直接控制。在冷却段只对高温制成品进行冷却，并不采取控制措施；因而需要建立注塑成型过程注射段与保压段的混杂状态空间模型。
[0109] 以单一的注射过程为例，我们可以将状态空间模型重写成：
[0110]
[0111] y1(t+1,k)＝[1 0 0]x1(t+1,k
[0112] 其中ωi(t,k)是0.3*[0,1]之间的随机变量。
[0113] 类似的，在保压阶段，注塑成型过程的状态空间模型可以描述为：
[0114]
[0115] y2(t+1,k)＝[1 0]x2(t+1,k
[0116] 明显可以看出，两个系统的维数并不相同，在切换过程中，需要状态转移矩阵改变维数。为了评估系统的跟踪性能，引入如下参数 切换条件为：
[0117] S1(x(t,k+1))＝350-[0 0 1]x1(t,k+1)<0
[0118] 这就意味着，当喷嘴压力大于350pa时，注塑成型过程将从注射阶段切换为保压阶段。此方法得出的结果不需引用任何其它变量，简单易行，不仅保证系统稳定运行且具有最优控制性能的同时，还使得系统运行时间缩短，即提高了生产效率。
[0119] 本发明以选取第60个批次为例，验证所提方法有效性，结果如下：
[0120] 图1为传统一维理念的控制方法与本发明提出的二维方法系统输入比较图，从此图可以看出，除初始时刻及切换时刻输入变化较大以外，本方法明显趋于平稳运行时间较快，不仅如此，从此图也可看出，第一阶段运行时间明显缩短。
[0121] 图2为传统一维理念的控制方法与本发明提出的二维方法系统输出误差的运行轨迹，我们可以明显的看到，本发明的方法系统误差
波动小，说明系统的跟踪性能较好。
[0122] 图3为传统一维理念的控制方法与本发明提出的二维方法系统输出的轨迹，可以看出，系统可以在非常短的时间内达到定值，并且切换时刻有非常小的波动.说明系统的跟踪效果好，从而说明了本发明的方法控制性更好。
