通用多变量模型预估协调控制方法技术

通用多变量模型预估协调控制方法，属自动控制领域。可用实际得到的任一种被控过程的模型进行预估，包括基于结构、稳态特性和响应时间的通用鲁棒预估控制器。具有校正时域的单值预估、利用所有可测变量进行动态反馈的多回路、多预估时域和多周期控制。适应被控对象结构变化，自动选用不同被控变量与操作变量的配对，在变量不超限的条件下，对被控变量和操作变量达到优化进行实时协调。适应被控对象特性的变化，在纯滞后时间变化时，自动修改控制算法。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

Generalized multivariable model predictive coordinated control method

The generalized multivariable model predictive coordinated control method belongs to the field of automatic control. The model can be estimated by any actual controlled process, including a robust predictive controller based on structure, steady-state characteristics and response time. A single valued predictor with time domain correction and dynamic feedback with all measurable variables are used for multi loop and multi prediction time domain and multi cycle control. In order to adapt to the change of the structure of the controlled object, the matching of different controlled variables and operation variables is automatically chosen. In the condition that the variables are not exceeding the limit, the optimization of the controlled variables and the operation variables is coordinated in real time. To adapt to the change of the characteristics of the controlled object, the control algorithm is automatically modified when the time delay is changed.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于被控对象数学模型的自动控制方法，属于自动控制领域。现有由数字计算机实现的模型预估控制方法中，应用最多的一类是基于实测的被控对象的输入输出模型，典型代表有基于离散时间卷积模型和在线校正的模型算法控制(Model Algorithm Control)及相应的软件IDCOM、动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control)及相应软件DMCplus(Aspen Tech Corp.)和RMPCT(Hi Spec Solution,Honeywell)。基于时间序列模型和在线辫识的广义预估控制(GeneralPredictive Control)。另一类是基于离散状态空间模型，如全状态反馈预估控制(State Feedback Predictive Control)、后退时域控制(Receding Horizon Control)等。现有技术均可用于多变量的被控过程，并考虑了约束、操作变量维数和被控变量维数不相同时的控制和协调优化策略，如DMCplus中采用线性规划方法、RMPCT中采用加权和设置优先级方法等。现有技术不足之处是不能适应各种可得到的被控对象的模型。实测输入输出以建立模型要干扰被控对象的平稳运行，或因被控对象具有不可测输入而难于应用；且输入输出数据不能全面反映被控过程的状态，一些实测的状态变量信息不能得到充分利用，失去进一步改进控制性能的机会。全部状态反馈因状态未必全是可得到的，使其应用受限。由于采用多步预估值，又未利用可测状态变量，实时计算量较大，尤其对大规模系统，实施较为困难。在约束协调策略中，优化目标或优先级顺序及线性规划方法只考虑了稳态要求，缺乏将被控对象的动态特性与优化要求相协调、对操作变量少于被控变量和二者维数实时变化时的协调策略。本专利技术的目的是给出一种可用各种模型(或只有结构、稳态特性和响应时间而无严格模型的被控对象)的通用算法、可充分利用所有可测变量、计算较简单、鲁棒性高的多变量模型预估控制方法；在此基础上，给出适应被控对象结构和特性变化、多变量约束、操作变量(以下简称MV)和被控变量(以下简称CV)的数量随运行状态而变化的预估协调控制策略，使动态控制和优化要求相协调。达到这些目的所采用的技术如下，其特征在于可用任一种被控过程的离散时间模型对未来时刻的被控变量和状态变量进行预估的通用方法，包括多项矩阵模型、卷积模型(脉冲或阶跃响应)、脉冲传递函数、状态空间模型或时间序列模型(CARMA或ARMAX)；在无以上严格数学模型时，由被控过程的结构、响应时间和稳态特性进行预估。具有校正时域，用此时域中每个采样时刻实测的状态变量(含被控变量)和模型预估值之差的加权平均对预估的未来值进行校正；单值预估控制算法对每个被控变量在未来某一时刻(称预估时域)经校正后的预估值与其给定值之间偏差值的加权二次型性能指标最小为目标，计算操作变量在每个控制周期的调整量；按被控变量的要求设定优先级和预估水平β(被控变量对操作变量阶跃的响应达到其稳态值的倍数，0＜β＜1)、根据模型计算响应指数和关联指数，选定被控变量和操作变量的配对，根据动态响应速度设置不同的采样周期，进而确定预估时域和相应的预估步数，若预估步数大于25，应增大采样周期。形成多预估时域与多周期预估控制策略；具有三种变量动态反馈的统一的控制系统结构其特征在于利用所有可得到的实测信息的当前值和历史值，进行反馈和前馈，包括三种变量的反馈被控变量(被控变量以外的可测)状态变量、操作变量的反馈；和可测干扰的预估前馈，形成多回路动态反馈控制系统结构；详见图一。基于这一结构特征，可由被控对象的稳态特性和响应时间，确定预估时域和相应的预估步数，选定各反馈回路的反馈矩阵，不需要准确的被控对象的数学模型，构成鲁棒预估控制器。适应于多变量、多目标要求的对象的控制和协调，其特征在于适用于两种控制要求将被控变量维持在给定值上的给定点控制和将被控变量维持在给定区域内的区域控制；适用于被控变量和操作变量的数量随对象运行环境发生变化，在操作变量少于、等于或多于被控变量的各种情况间转化时的控制；为此，按被控变量与其给定值或给定区域偏差的大小，设置多个区域，被控变量预估值处于不同区域时，采用不同控制策略或加权系数(非线性控制或非线性加权)。当操作变量少于被控变量时，有三种实时动态协调方法对被控变量预估偏差加权、选择满足不同控制要求的操作变量的中间值、或实施分级控制。当操作变量多于被控变量时，当优化操作变量与控制被控变量的作用方向一致，按优化的优先级顺序选择操作变量进行控制；当控制和优化的要求有矛盾时，若被控变量预估值处于大偏差区，选用响应快的操作变量以迅速减小偏差；若被控变量预估值处于小偏差区，选用响应较慢的操作变量维持小偏差，同时，以一定速率将需要优化的操作变量推向其优化值。根据被控对象的状况，被控变量预估值所处的区域和被控变量数量的变化，操作变量的有效性(是否受限或是否允许使用)和相应数量的变化，自动选用不同被控变量与操作变量，按以下顺序进行协调使各变量不超限，使被控变量达到给定，使操作变量达到优化；适应被控对象特性发生变化的方法在线实时修改控制算法，适应操作变量纯滞后时间的变化。对每个操作变量的调整量乘以衰减系数α，作为在线运行时的主要调整参数。对每个操作变量每次调整量的大小及其绝对值设置上下限约束，同时操作变量的调整量也不能使与其相关的变量超限。图一是具有三种变量动态反馈和可测干扰预估前馈的通用预估控制系统框图；图二是催化裂化提升管反应器多变量控制系统框图；图三是石油分馏塔多变量预估协调控制系统框图；图四是脱丁烷塔控制系统框图。下面结合附图，通过实施例，对本专利技术作进一步的详细说明。一、可用各种模型、具有校正时域的单值预估控制算法本专利技术以下述多项式矩阵模型为基础，描述被控对象A(q-1)D(q-1)B(q-1)-C00·X(k)-v(k-1)-u(k-1)=0-Y(k)----(1)]]>其中X(k)为n维可测状态变量(简称SV)在第k个采样时刻之值；u(k)为m维操作变量(简称MV)在第k个采样时刻之值；y(k)为r维被控变量(简称CV)在第k个采样时刻之值；v(k)为g维可测干扰变量(简称DV)在第k个采样时刻之值；q-1为滞后算子，即q-NX(k)=X(k-N)；A(q-1)=I+A1q-1+A+AN.1q-N.1]]>B(q-1)=B0+B1q-1+Λ+BNRq-NR]]>D(q-1)=D0+D1q-1+Λ+DNdqND]]>分别为n×n,n×m,n×g多项式矩阵；C为r×n常数矩阵。考虑各MV具有不同的时间滞后，可表示为u(k-1)=u1(k-1-τ1)u2(k-1-τ2)Mum(k-1-τm)]]>由模型(1)，可由当前和以前时刻的各变量值，计算得到未来时刻被控对象状态变量的预估值；也可由过去的变量计算当前状态变量的预估值。一般预估控制算法用实测状态变量的当前值和预估值之差，对未来时刻的预估值进行修正，以修正后的预估值为实际应用的预估值。本专利技术的一个特点是用设定的校本文档来自技高网...

【技术保护点】
通用多变量模型预估协调控制方法，特别用于连续生产过程的基于数学模型的多变量预估协调控制方法，其特征在于： 可用任一种被控过程离散时间模型：包括用多项矩阵模型、卷积模型（脉冲或阶跃响应）、脉冲传递函数、状态空间模型或时间序列模型（ＣＡＲＭＡ或ＡＲＭＡＸ）对未来时刻的变化进行预估的通用方法；在无以上模型时，由被控过程的结构、响应时间和稳态特性进行预估的方法； 具有校正时域，用此时域中每个采样时刻实测状态变量（含被控变量）和模型预估值之差的加权平均对预估值进行校正； 单值预估控制算法：根据对每个被控变量在未来某时刻（称预估时域）的一个预估值与其给定值之间的偏差值的加权二次型性能指标最小，计算操作变量在每个控制周期的调整量； 按被控变量的要求设定优先级和预估水平β（被控变量对操作变量阶跃的响应达到其稳态值的倍数，０＜β＜１）、根据模型计算响应指数和关联指数，选定被控变量和操作变量的配对，根据动态响应速度设置不同的采样周期，进而确定预估时域和相应的预估步数，若预估步数大于２５，应增大采样周期，形成多预估时域与多周期预估控制策略； 三种变量动态反馈：利用所有可得到的实测信息当前值和历史值进行反馈和前馈，包括三种变量：被控变量、（被控变量以外的可测）状态变量、操作变量的反馈，可测干扰的预估前馈，形成多回路动态反馈控制系统结构； 基于这一结构特征，由被控对象的稳态特性和响应时间，确定预估时域和相应的预估步数，选定各反馈回路的反馈矩阵，不需准确的被控对象的数字模型，构成鲁棒预估控制器； 适用于两种控制要求：将被控变量维持在给定值上的给定点控制和将被控变量维持在给定区域内的区域控制； 适用于被控变量和操作变量的数量随对象运行环境发生变化，在操作变量少于、等于或多于被控变量的各种情况间转化时，使被控变量和操作变量均达到优化值的控制与协调，为此，按被控变量预估值与其给定值或给定区域的偏差（预估偏差）的大小，设置多个区域，被控变量预估值处于不同区域时，采用不同控制策略或加权系数（非线性控制或非线性加权）； 当操作变量少于被控变量时，有三种实时动态协调方法：对被控变量预估偏差加权、选择满足不同控制要求的操作变量的中间值、或实施分级控制； 在操作变量多于被控变量时，若优化操作变量与控制被控变量的作用方向一致，按优化的优先级顺序选择操作变量进行控制；当控制和优化的要求有矛盾时，若被控变量预估值处于大偏差区，选用响应快的操作...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：袁璞，
申请(专利权)人：袁璞，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]