专利名称：嵌入式学习记忆控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及自动控制技术领域，具体指一种运用学习记忆控制算法的嵌入式控制器。
背景技术：
在目前许多工业的连续生产控制过程中，各种控制器仍然采用传统的PID控制算法，较少应用智能控制技术。随着对产品质量和控制效果的要求越来越高，传统控制器难以满足要求。从20世纪90年代初期开始出现了许多运用智能控制算法的控制技术，如神经网络控制、模糊控制、遗传控制等。这些算法在一定程度上可以提高控制效果，但是实际应用中，其存在学习速度慢、记忆能力不足，控制效果差及难以实现远程控制等缺憾。
发明内容
随着生物控制理论的发展，智能控制理论和生物信息处理系统结合得越来越紧密。诚如，丁永生(《计算智能—理论、技术与应用》[M].北京科学技术出版社，2004)指出生物信息处理系统包括神经系统、遗传系统、免疫系统和内分泌系统，其中生物免疫系统是一个高度复杂的系统，的它对检测和消除感染问题显示出精确的调节能力，它能够识别和消除病原体，具有学习、记忆和模式识别能力。
本发明的目的在于提供一种基于生物免疫系统原理，即学习、储存、记忆原理设计的具备学习、记忆和自适应能力的，具有支持远程访问等特点的新型嵌入式智能控制器(EIC)，它包括输入接口、输出接口、控制算法模块和控制记忆体库、及通讯接口等部分，其中，控制算法模块包括辅助PID算法和记忆控制算法，控制记忆体库是由所有控制记忆体组成。
关于本发明基于的生物免疫系统原理简述在生物免疫系统中，当外界抗原(Ag，即病原体)第一次入侵体内时，体内免疫系统没有相应的抗体(Ab)来消灭抗原。这时原有的抗体在抗原的刺激下，就会遗传、进化，最终产生出可以消灭抗原的抗体，这就是免疫初次应答，也是免疫系统学习的过程。当抗原被消灭之后，与之匹配的抗体的数量随着自身的老化死亡而降低，但是在体内总保持一定数量的抗体细胞，这就是免疫存储。
当外界抗原再次入侵时，体内的抗体会根据抗原的特征点进行匹配。如果某一抗体的特征点和这种抗原的特征点相吻合，则这种抗体就是与之匹配的抗体。随后这种抗体就会大量繁殖，并迅速将抗原消灭。这是免疫系统二次应答过程和自适应性的表现，也就是免疫记忆。其原理如附图1所示。
关于本发明基于生物免疫系统原理的学习记忆控制器的工作原理在此，将控制系统的控制偏差比作为免疫系统的抗原，消除某一控制偏差的最终控制输出变化值比作为免疫系统的抗体，在本发明中称为控制记忆体。控制系统中形成的所有控制记忆体组成控制记忆体库，据此，我们可以设计一种基于免疫系统的控制系统如附图2所示。
同时，本发明基于以下认识当控制偏差第一次出现时，EIC必须进行学习和训练，产生相应的控制记忆体并存储。当控制偏差再次出现时，EIC首先根据控制偏差的特征，与已有控制记忆体进行匹配，然后对匹配的控制记忆体进行修正，接着利用修正后的控制记忆体消除控制偏差，当控制偏差消除后，形成新的控制记忆体。
本发明的一种嵌入式学习记忆控制器其控制方法，包括下列步骤a.记控制记忆体为CAb(i)，其中i＝1，2，...，n(n为控制记忆体库中的控制记忆体总数目)对控制记忆体CAb(i)，并作如下定义(1)特征点控制记忆体CAb(i)产生时的设定值spi(t0)和控制偏差ei(t0)；(2)记忆控制输出变化值在控制记忆体CAb(i)的生成过程中(即控制器消除偏差的过程)的控制最终输出变化值，即控制器的最终输出值ui(t)和控制记忆体开始产生时的控制器输出值ui(t0)的差值Δui＝ui(t)-ui(t0)(1)b.当控制偏差(抗原)第一次出现时，学习记忆控制器没有相应的控制记忆体，它必须进行学习和训练，从而产生相应的控制记忆体。控制记忆体的首次产生及存储过程如下1)当控制偏差e(t)的绝对值大于设定阈值ε1的时候，记录此时的工艺设定值spj(t0)、控制偏差ej(t0)、控制器输出值u1(t0)；2)利用传统控制算法(如PID)消除控制偏差；3)当控制偏差消除时，记录此时的控制器输出值u1(t)；4)根据式(1)计算控制器的输出变化值Δu1，控制记忆体CAb(1)形成；5)控制记忆体CAb(1)以数据文件形式或其它形式存储。
控制记忆体CAb(1)的产生及存储过程如附图3所示。
C.控制记忆体的记忆控制过程当控制偏差再次出现时，控制记忆体开始发生作用。学习记忆控制器首先根据控制偏差的特征，与控制记忆体库中所有的控制记忆体进行匹配，找出与之最匹配的控制记忆体，然后对匹配的控制记忆体进行修正，接着学习记忆控制器利用修正后的控制记忆体消除控制偏差，当控制偏差消除后，形成新的控制记忆体。这个过程就是控制记忆体的记忆控制过程，具体过程如下(设此时控制记忆体库中的控制记忆体总数量为n)1)当控制偏差出现时(控制偏差e(t)的绝对值大于设定阈值ε1)，记录当前的特征值设定值sp(t)、偏差e(t)和控制器输出状态值u(t)；2)将当前控制偏差的特征值和所有控制记忆体的特征值spi(t0)和ei(t0)进行比较，根据式(2)计算出所有控制记忆体相应的匹配度ωi(i＝1，2，...，n)。
ωi=1αsp(t)-spi(t0)+(1-α)|e(t)-ei(t0)|---(0<α<1.0)---(2)]]>如取α＝0.5，则匹配度ωi最大的控制记忆体就是与当前控制偏差最匹配的控制记忆体，最终匹配的控制记忆体记为CAb(K)(k≤n)。这个过程就是控制记忆体的记忆过程。
3)由于当前的e(t)与匹配控制记忆体CAb(k)的特征值ek(t0)并不一定完全匹配，比如控制偏差的大小或方向不一致等，此时可根据线性化理论，利用式(3)对控制记忆体CAb(k)的输出变化值进行修正，形成新的中间控制记忆体CAb(n+1)的记忆控制输出变化值Δu(t)。这个过程就是控制记忆体的遗传进化过程。
Δu(t)=Δuk(t)e(t)ek(t0)---(3)]]>4)控制器利用控制记忆体记忆控制算法消除控制偏差，其输出值u(t)等于控制偏差出现时的控制器输出值u(t0)加上修正后控制记忆体CAb(n+1)的记忆控制输出变化值Δu(t)u(t)＝u(t0)+Δu(t) (4)，如果仅仅使用式(4)的控制记忆体记忆控制算法，由于1)输出信号的相对反应速度比较慢，会使控制系统的稳定时间变长；2)匹配修正后的中间控制记忆体的记忆控制输出变化值与控制系统最终消除偏差时的实际最终输出变化值可能存在一定的误差，因而影响控制精度。
针对第一种情况，采取控制记忆体记忆控制算法和传统比例P作用结合的方式(如式(5)所示)。两者共同作用使输出迅速上升，并消除控制偏差。当偏差消除时，控制器的稳态输出值就是控制记忆体的记忆控制最终输出变化值与控制器在消除控制偏差开始时的输出值之和(式(4))。
u(t)＝u(t0)+Δu(t)+Kp0e(t) (5)其中Kp0为比例增益系数。
针对第二种情况，采取与传统PID控制算法相结合的方式。当偏差e(t)的绝对值大于等于设定阈值ε2(如2％)时，利用控制记忆体记忆控制算法和P作用相结合的方式；当偏差绝对值小于设定阈值ε2时，转换为传统PID控制方式，进一步消除控制偏差，其控制流程如图4所示。
5)当控制偏差完全消除时，根据最终的控制器输出值un+1(t)，由式(1)计算出中间控制记忆体CAb(n+1)的实际Δun+1(t)，从而形成一个新的控制记忆体CAb(n+1)，并以数据文件形式或其它形式存储。这个过程就是控制控制记忆体的繁殖过程。具体过程如附图5所示。
综合上述步骤整体流程图如附图6所示。
图1为免疫系统存储记忆原理图；图2为本发明的学习记忆控制系统框图；图3为本发明控制记忆体初次产生及存储过程子程序流程图；图4为本发明控制记忆体记忆控制算法消除偏差过程子程序流程图；图5为本发明控制记忆体的记忆控制过程子程序流程图；图6为本发明整体软件程序流程图；图7为本发明系统原理框图；图8为本发明硬件原理框图；图9为本发明仿真效果图。
附图中标号说明1输入信号；2输入接口；3辅助PID算法；4记忆控制算法；5控制算法模块；6控制记忆体库；7通讯接口；8输出接口；9输出信号；10CPU；11SDRAM存储器；12FLASH闪存。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步的描述本发明的一种嵌入式学习记忆控制器，其控制方法包括下列步骤a.记控制记忆体为CAb(i)，其中i＝1，2，...，n，其中n为控制记忆体库中的控制记忆体总数目；
对控制记忆体CAb(i)，作如下定义1)控制记忆体CAb(i)产生时的设定值spi(t0)和控制偏差ei(t0)为其特征点；2)在控制记忆体CAb(i)生成过程中，控制器的最终输出值ui(t))和控制记忆体开始产生时的控制器输出值ui(t0)的差值Δui＝ui(t)-ui(t0)为控制记忆体的记忆控制输出变化值；b.控制记忆体的首次产生及存储过程1)当控制偏差e(t)的绝对值大于设定阈值ε1时，记录此时的工艺设定值spj(t0)、控制偏差ej(t0)、控制器输出值u1(t0)；2)利用传统控制算法，如PID消除控制偏差；3)当控制偏差消除时，记录此时的控制器输出值u1(t)；4)根据公式Δui＝ui(t)-ui(t0)计算控制器的输出变化值Δu1，控制记忆体CAb(1)形成；5)控制记忆体CAb(1)以数据文件形式或其它形式存储；c.控制记忆体的记忆控制过程1)控制偏差e(t)的绝对值大于设定阈值ε1，记录当前的特征值设定值sp(t)、偏差e(t)和控制器输出状态值u(t)；2)将当前的特征值和所有控制记忆体的特征值进行比较，根据公式ωi=1α|sp(t)-spi(t0)|+(1-α)|e(t)-ei(t0)|,]]>其中0＜α＜1.0，如取α＝0.5，计算出所有控制记忆体相应的匹配度ωi其中i＝1，2，...，n。则匹配度ωi最大的控制记忆体就是与当前控制偏差最佳匹配的控制记忆体，最终匹配的控制记忆体记为CAb(k)其中，k≤n；
3)当前的e(t)与匹配控制记忆体CAb(k)的特征值ek(t0)出现如与控制偏差的大小或方向不一致等时，根据公式Δu(t)=Δuk(t)e(t)ek(t0),]]>对控制记忆体CAb(k)的输出变化值进行修正，形成新的中间控制记忆体CAb(n+1)的记忆控制输出变化值Δu(t)；4)利用控制记忆体记忆控制算法消除控制偏差，其输出值u(t)等于控制偏差出现时的控制器输出值u(t0)加上修正后控制记忆体CAb(n+1)的记忆控制输出变化值Δu(t)，如公式u(t)＝u(t0)+Δu(t)当偏差e(t)的绝对值大于等于设定阈值ε2(如2％)时，利用控制记忆体的记忆控制算法和传统比例P作用相结合的方式，两者共同作用使输出迅速上升，并消除控制偏差，如公式u(t)＝u(t0)+Δu(t)+Kp0e(t)，其中Kp0为比例增益系数；当偏差e(t)的绝对值小于设定阈值ε2时，转换为传统PID控制方式，进一步消除控制偏差。
5)当控制偏差完全消除时，根据最终的控制器输出值un+1(t)，根据公式Δui＝ui(t)-ui(t0)计算出中间控制记忆体CAb(n+1)的实际Δun+1(t)，从而形成一个新的控制记忆体CAb(n+1)，并以数据文件形式或其它形式存储；本发明的一种嵌入式学习记忆控制器，由输入接口2、输出接口8、控制算法模块5和控制记忆体库6及通讯接口7等部分组成，其中，控制算法模块5包括辅助PID算法3和记忆控制算法4，控制记忆体库6是由所有控制记忆体组成。其，a.硬件部分主要包括主机和外围接口两大部分1)主机
CPU可采用32位，主频70MHZ左右，如ARM7系列芯片等；采用SDRAM和FLASH闪存分别用作计算机内存存储器和存储操作系统、应用软件及控制记忆体库文件；采用外界提供电源方式。
2)外围接口数据通讯接口主要提供标准的USB、VGA、RJ45、RS232、RS485及电源接口等；模拟信号接口主要提供4～20mA电流输入/输出、1～5VDC电压输入/输出等；b.软件部分主要包括操作系统、通讯软件、WEB远程访问软件及输入/输出接口软件，其中，1)操作系统采用比较流行的具有与Windows应用程序兼容的嵌入式操作系统，如Win CE等。
2)通讯软件采用提供TCP/IP协议、RS232或485协议的支持软件。
3)WEB远程访问软件用于完成远程访问、通讯、操作等功能。
4)输入/输出接口软件用于完成模拟信号或数字信号的输入/输出。
本发明控制器的控制性能，经选取二阶对象进行仿真实验，并与传统PID的控制效果进行比较。通过不断改变给定值，使控制器产生更多的控制记忆体。在仿真实验中，控制器的辅助PID控制参数和传统PID的控制参数设置是相同的。
某生产过程设备的液位控制系统的传递函数为G(S)=3.563.22S2+2.13S+1]]>本发明控制器的控制参数设置如表1所示，表中Kp1、Ti1和Td1是其辅助PID控制算法控制参数，也是传统PID控制器的控制参数；ε1和ε2分别是其偏差设定阈值和PID算法转换设定阈值。其形成的控制记忆体如表2所示。与传统PID控制器的对比效果如图9所示。从图9可以看出，与传统PID控制器相比，本发明控制器能够讯速、无超调、稳定地消除控制偏差。
表1控制参数表名称Kp0Kp1Ti1Td1ε1ε2数值1.31.35.00.00.0050.01表2生成的控制记忆体序 偏差变化输出变化给定值号 值 值1 1.00000.5000 0.28152 0.5000-0.2500 -0.14073 1.50000.5000 0.28154 1.80000.1500 0.08445 1.5000-0.1500 -0.084权利要求
1.一种嵌入式学习记忆控制器的控制方法，其特征在于包括下列步骤a.记控制记忆体为CAb(i)其中i＝1，2，…，n，其中n为控制记忆体库中的控制记忆体总数目；对控制记忆体CAb(i)作如下定义1)控制记忆体CAb(i)产生时的设定值spi(t0)和控制偏差ei(t0)为其特征点；2)在控制记忆体CAb(i)生成过程中，控制器的最终输出值ui(t)和控制记忆体开始产生时的控制器输出值ui(t0)的差值Δui＝ui(t)-ui(t0)，为控制记忆体的记忆控制输出变化值；b.控制记忆体的首次产生及存储过程1)当控制偏差e(t)的绝对值大于设定阈值ε1时，记录此时的工艺设定值spj(t0)、控制偏差ej(t0)、控制器输出值u1(t0)；2)利用传统控制算法，如PID消除控制偏差；3)当控制偏差消除时，记录此时的控制器输出值u1(t)；4)控制记忆体CAb(1)形成，根据公式Δui＝ui(t)-ui(t0)计算控制器的输出变化值Δu1；5)控制记忆体CAb(1)以数据文件形式或其它形式存储；c.控制记忆体的记忆控制过程1)控制偏差e(t)的绝对值大于设定阈值ε1，记录当前的特征值设定值sp(t)、偏差e(t)和控制器输出状态值u(t)；2)将当前控制偏差的特征值和所有控制记忆体的特征值进行比较，根据公式ωi=1α|sp(t)-spi(t0)|+(1-α)|e(t)-ei(t0)|,]]>其中0＜α＜1.0，如取α＝0.5，计算出所有控制记忆体相应的匹配度ωi，其中i＝1，2，…，n。则匹配度ωi最大的控制记忆体就是与当前控制偏差最佳匹配的控制记忆体，最终匹配的控制记忆体记为CAb(k)其中，k≤n；3)如果当前的e(t)与匹配控制记忆体CAb(k)的特征值ek(t0)出现与控制偏差的大小或方向不一致等时，根据公式Δu(t)=Δuk(t)e(t)ek(t0),]]>对控制记忆体CAb(k)的输出变化值进行修正，形成新的中间控制记忆体CAb′(n+1)的记忆控制输出变化值Δu(t)；4)利用控制记忆体记忆控制算法消除控制偏差，即控制器的输出值u(t)等于控制偏差出现时的控制器输出值u(t0)加上中间控制记忆体CAb′(n+1)的记忆控制输出变化值Δu(t)，即u(t)＝u(t0)+Δu(t)；当偏差e(t)的绝对值大于等于设定阈值ε2，如2％时，利用控制记忆体的记忆控制算法和传统比例P作用相结合的方式，两者共同作用使输出迅速上升，并消除控制偏差，如公式u(t)=u(t0)+Δu(t)+Kp0e(t),]]>其中Kp0为比例增益系数；当偏差e(t)的绝对值小于设定阈值ε2时，转换为传统PID控制方式，进一步消除控制偏差；5)当控制偏差完全消除时，根据最终的控制器输出值un+1(t)，并根据公式Δui＝ui(t)-ui(t0)计算出中间控制记忆体CAb′(n+1)的实际Δun+1(t)，从而形成一个新的控制记忆体CAb(n+1)，并以数据文件形式或其它形式存储；
2.如权利要求1所述的嵌入式学习记忆控制器，由输入接口(2)、输出接口(8)、控制算法模块(5)和控制记忆体库(6)及通讯接口(7)等部分组成，其特征在于，控制算法模块(5)包括辅助PID算法(3)和记忆控制算法(4)，控制记忆体库(6)是由所有控制记忆体组成的；其中，硬件部分主要包括主机和外围接口两大部分1)主机CPU可采用32位，主频70MHZ左右，如ARM7系列芯片等；采用SDRAM和FLASH闪存分别用作计算机内存存储器和存储操作系统、应用软件及控制记忆体库文件；采用外界提供电源方式；2)外围接口数据通讯接口主要提供标准的USB、VGA、RJ45、RS232、RS485及电源接口等；模拟信号接口主要提供4～20mA电流输入/输出、1～5VDC电压输入/输出等；
3.如权利要求2所述的嵌入式学习记忆控制器，其特征在于软件部分主要包括操作系统、通讯软件、WEB远程访问软件及输入/输出接口软件；其中，1)操作系统采用比较流行的具有与Windows应用程序兼容的嵌入式操作系统，如WinCE等；2)通讯软件采用提供TCP/IP协议、RS232或485协议的支持软件；3)WEB远程访问软件用于完成远程访问、通讯、操作等功能；4)输入/输出接口软件用于完成模拟信号或数字信号的输入/输出。
全文摘要
一种嵌入式学习记忆控制器，是基于免疫系统的存储记忆原理设计的，具备学习、记忆和自适应能力，具有断电后控制记忆体不丢失和支持远程访问等特点的新型嵌入式智能控制器(EIC)，它包括输入/输出接口、控制算法模块和控制记忆体库及通讯接口等，其中，控制算法模块包括辅助PID算法和记忆控制算法，控制记忆体库是由所有控制记忆体组成的。当控制偏差第一次出现时，EIC必须进行学习和训练，产生相应的控制记忆体并存储之；当控制偏差再次出现时，EIC首先根据控制偏差的特征与已有控制记忆体进行匹配，继而对匹配的控制记忆体进行修正；而后利用修正后的控制记忆体消除控制偏差，当控制偏差消除后，形成新的控制记忆体。如此往复循环实现智能控制。
文档编号G05B13/00GK1621980SQ200410089509
公开日2005年6月1日 申请日期2004年12月14日 优先权日2004年12月14日
发明者刘宝, 丁永生 申请人:东华大学