基于ADRC的过程控制研究-人工智能科技创新基金项目立项申请书.docx

科技创新基金项目立项申请书项目名称：基于ADRC的过程控制研究所属领域：.人工智能.研究期限：2014年 3 月至2018年2 月申请人：部 门：联系电话：EmaiI:简表申请人信息姓名性别男出生年月学位职称研究方向人工智能电话E-mail所属部门产品研发部项目信息项目名称基于ADRC的过程控制研究隶属专业控制工程申请金额（万）3. 6万元整起止时间2015年3月-2016年2月主题词（3个）ADRC； PID算法；时间尺度成果形式论文、软件代码、示例演示项目组成员姓名所属部门职称专业项目摘要（300字）：在信息时代，“智能计算”、“云计算”等的背景下，人工智能从理论到实际应用，从科学研究到生产生活，已深入不同领域和角落。其产生的各方面效益和价值不可估量，但在一些应用场合和领域（如油气田生产和化工控制等领域），依然有待深入的研究和开发。ADRC（Active Disturbance Rejection Control自抗扰控制）从提出发展至今，已形成一定的理论体系，并且在发电机、机械手、电炉、噪声控制、磁悬浮、温度控制等领域己得到实践和应用，其前景令人看好。本项目拟引用ADRC中的自抗扰控制器结构，在分析油田生产控制的特点，提出符合油气出生产的控制算法，通过理论验证以及仿真来优化算法，最终通过代码编写来实现算法，并使算法具备可移植的特征，使其在未来可应用到油气田过程控制设备中，如RTU、PLC等设备中。二、立项依据1 . ADRC的由来ADRC提出的目的是为了改善P1D算法的不足，众所周知，PID的精髓是“基于误差来消除误差。，但在实际应用中，PID算法中的各参数选取和设定往往依赖于人工经验，这是因为初始值的设定太大会使控制系统出现“超调”，反之，则系统的“快速性”得不到保障。上世纪80年代末，韩京清教授提出ADRC技术，并通过余生的不断完善和研究，开创了属于中国人自己的现代控制理论，并广泛应用于实际工程中。2 . ADRC的结构ADRC结构如下图所示，主要包含三部分，即安排过渡过程、微分跟踪器、扩张状态观测器，三部分组成ADRC控制器，可独立分离设计，设计完成后再进行组合。3 .油气田生产控制工程的特点油气田生产中的控制工程多数可归纳为过程控制，对其安全性和系统稳定性有严苛的要求，在安全第一的生产前提下，即便在一些简单的应用场合也很少使用国内产品。究其原因，不外乎以下两方面：1）不具备将成熟的先进控制理论体系向实际应用转变的条件2）相关企业缺乏人才储备和技术积累4 .研究价值ADRC经过二十多年的发展，已经从单纯的理论研究转变到实际应用中，但在油气出生产领域少有实际应用，结合凯捷自主研发的情况以及业务发展平台，该项目的预期成果可移植到自主产品中RTU、电量模块、PLC,可增加产品竞争力，添加产品特色的同时也可为公司增加技术积累。三、研究内容拟研究内容如下：1)确定“微分跟踪器”函数微分跟踪器的函数形式和实现有不同种类，选择何种种类，与系统特性有重要关联。一般的，系统分类可分为连续系统和离散系统，连续系统又可分为时变和时不变系统。从线性和非线性的角度来分类，则有线性系统和非线性系统。而油气田应用领域中多为时变系统,在函数选择上尽量少考虑离散函数。经典调节理论中，对给定信号的微分信号用如下微分环节来实现微分Ts+1其公式表达为：y=w (s) v=l/T v-v/ (Ts+1)需要研究的内容是在经典微分器的基础上结合ADRC的结构特征进行变换和添加，并对改进后的微分器进行理论推理和验证。2)扩张状态观测器的设计扩张状态观测器是整个ADRC的重要部分，主要用于观察“扰动总的实时作用量”，同时对系统的“采样步长”与“系统时间尺度”有着重要的影响，而且扩展状态观测器还负责反馈量的输出。实质上，构造好任何一个状态观察器，其必然有一个参数会对系统的响应速度产生影响,而将这个影响到函数输出的参数定义为“时间尺度”。相关研究表明，对于线性系统来说其采样步长与时间尺度成正比关系。对于非线性系统来说，“时间尺度”所代表的含义与线性系统则不尽相同，与“采样步长”的关系也要按实际情况进行具体分析。以二阶自抗扰控制器算法为例(公式参见下页)，其线性扩展状态观测器的三个输出值分别为Zl、Z2、Z3, h代表采样步长，而误差反馈量uO中的r代表的就是时间尺度，该公式中的“采样步长”与“时间尺度”需要通过数值实验仿真来决定它们的关系。因此，扩张状态观测器的设计往往决定算法的好坏，是研究的重点和关键。fh = fhan(ui v, v2,r0,/i)vi - vi +v2 v2 + fhe = zi - yZi =Zi + /i(z2-/?01e)< 22 =药 + hz3 - 002。+ bo")23 = 23+ 九(一003?)4 = V1 -zlfe2 = v2-z2u0 = fhan(ei，ce2,，力 1)“o - z3典型二阶自控扰控制算法公式3）对提出的算法进行仿真引用ADRC的特征，针对油气田应用提出的算法分别进行仿真。当前算法的仿真工具有1. Mat lab算法仿真（以此仿真工具为主）2. Delphi4.0仿真工具4）对算法进行验证对算法也就是模型的最终运行性能分析，包含以下儿方面1 .运行时间计算2 .运行正确性计算3 .运行效率计算根据运行结果进行讨论和改善5）将算法应用到实际产品拟将算法应用到产品研发部已有产品中，主要应用在以下两个方面：1 .抽油机智能平衡调节以及抽油机智能冲次调节，拟将平衡与冲次的调节各自作为一个闭环的系统来进行实现。2 . RTU （远程通信控制单元）中的传统PTD算法具有一定的不足，可移植项目提出的算法，提高产品的竞争力。U!研究方案针对ADRC构造特点，结合油气田生产的需求，拟采用以下研究方案：1）因自抗扰控制器的重点是“时间尺度”，所以在函数构造和选择上需要作重点研究，其方案如下：1 .确定采用的阶数，如一阶、二阶，甚至更高阶数2 .加入非线性函数进行分析，并给出是否最终采用的结论3 .加入三角函数如sin、cos等进行分析，并给出是否最终采用的结论4 .加入其它函数（如：符号函数）等进行分析，并给出是否最终采用的结论2）考虑到算法是针对时变系统的算法，对系统进行函数变换，函数变换后可更直观的表达系统的“采样步长”与“时间尺度”。拟进行的变换步骤如下：1 .函数从时域到频域的变换；2 .函数从频域到复频域的变换；3 .若步骤1与步骤2效果不理想，采用快速变换进行分析和处理；4 .处理不可变换的函数要素再进行步骤1、2O3）采用常规的算法分析工具，对算法进行分析与验证，并根据结果进行论证和讨论。一般的，常用的分析工具有：L时间分析工具2.空间分析工具4）算法在产品的实现过程，按照以下步骤进行1 .算法仿真，根据仿真结果选取算法效果较好的算法2 .嵌入式代码实现，产品内部测试验证，若验证通过进行步躲3,否则，转步骤13 .现场试验及效果反馈五、本项目的特色与潜在的创新点1）项目特色项目在理论研究的基础上，拟提出符合油气田生产的算法模型，并通过代码进行实现，通过相关工具或算法进行分析和验证，确保算法最大可能的实现。引用ADRC的特点在于最大程度的将外界干扰加入到算法中，规避PID算法的不足，而继续保持其利用误差来消除误差的思想精髓。2）潜在创新点未来2-3年内，凯捷自主产品具备可以应用到一些需求简单的过程控制领域的能力。3）预计亮点及潜在风险本课题的算法可拓宽产品的应用范围，同时，可最大程度的减少过程控制中相关参数设置对操作人员经验的依赖，降低运维及操作风险。另外，本课题ADRC的技术特点决定了项目的百分之四十的工作量用于仿真和实验，其结果的好坏不但决定了研究方向上的修正与调整，而且也决定整个课题的成败与否。六、年度研究计划和预期成果（以三个月为单位）年度计划：2015年3月-2015年5月理论分析以及结合油田实际应用提出需要解决的问题点2015年6月-2015年8月 算法模型建立及仿真验证2015年9月-2015年11月算法分析、修改以及最终实现、撰写论文2015年12月-2016年2月相关测试、现场试验及验收报告预期成果：至少在国内核心期刊上发表论文1篇，同时将算法最终以代码方式实现，并给出演示例程；同时至少将算法应用到一个产品研发部现有的自主产品中。七、课题组织1)课题人员组织如下：1,负责人，主要负责理论分析及算法整体的结构，并撰写最终报告及相关论文。2,参与人，主要负责算法的例程编写和使用说明4 ,参与人，主要负责算法的实现与验证4,参与人，主要负责算法实现以及验证5,参与人，主要负责算法的仿真与测试2)课题人员近年发表论文如下：3)课题人员近年获奖情况如下：1,获得2012 -2013年度大学研究生国家奖学金.4)课题经费预算(1)论文版面费5000元左右(2)现场试脸调试费用6000元左右(3)劳务费与其它费用25000元左右八、推荐意见部门经理推荐意见：（请认真负责地介绍申请者及其项目组成人员的业务基础、研究能力、科研态度）推荐人：年 月曰业务主管领导审核意见:审核人：年 月曰