基于MPC算法对被控系统进行动态控制的方法、设备和介质技术方案

本公开的实施例涉及基于MPC算法对被控系统进行动态控制的方法、设备和介质。根据该方法，在当前采样时刻，测量被控系统的当前状态数据集合和当前控制输出数据；部分基于当前状态数据集合和当前控制输出数据，使用多个预测模型为被控系统估计下一采样时刻的控制输出数据和状态数据集合；在为被控系统估计了第一预定数目的控制输出数据之后，基于预先设定的损失函数，基于所估计的控制输出数据与目标输出数据之间的差值，为被控系统确定第一预定数目的最优控制输入数据集合；以及使用为所述被控系统估计的最优控制输入数据集合之一执行控制。由此，能够实现对被控系统的全局最优的协同控制，进而达到节能的效果。进而达到节能的效果。进而达到节能的效果。

【技术实现步骤摘要】
基于MPC算法对被控系统进行动态控制的方法、设备和介质


[0001]本公开的实施例总体涉及控制领域，并且更具体地涉及一种基于MPC（Model Predictive Control，模型预测控制）算法对被控系统进行控制的方法、设备和介质。

技术介绍

[0002]目前，被控系统通常会包括多个被控设备，各个被控设备之间往往存在相互耦合的影响，因此对每一被控设备的控制都会影响整个被控系统的控制输出。因此，如何实现对这些被控设备的全局最优的协同控制非常关键。
[0003]例如，这样的被控系统的示例包括压缩空气系统。压缩空气系统通常包括空气压缩站（后面简称为“空压站”），空压站中可包括多个空气压缩机（后面简称为“空压机”），如果针对这些空压机的控制方案不合适，则很容易导致空压站与生产车间的用气供需差异，从而使得各个空压机频繁启停，造成输出的压力和流量产生较大的波动，无法维持在稳定的区间内，进而造成能源的浪费。目前，经常使用单机控制或PLC联控的方法来对空压机进行控制。在单机控制方法中，对每个空压机分开地进行层叠式压力带控制（对于工频空压机）或者PID控制（对于变频空压机），而无法实现各个空压机之间的协同控制，而且在控制时仅基于当前压力状态进行控制，而无法适应工况的变化更无法准确判断供需差异，因此无法达到全局最优的控制效果。在PLC联控控制方法中，通常根据预设的简单规则来按顺序启停空压机，这些规则通常是基于当前状态来进行判断的，因此各个设备之间仍缺乏协同运作，并且无法适应工况的变化更无法准确判断供需差异，因此其仍然无法达到全局最优的控制效果。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本公开提供了一种基于MPC算法对被控系统进行动态控制的方法和设备，使得能够实现对被控系统的各个被控设备的全局最优的协同控制，进而达到节能的效果。
[0005]根据本公开的第一方面，提供了一种基于MPC算法对被控系统进行动态控制的方法，包括：在当前采样时刻，测量被控系统的当前状态数据集合和当前控制输出数据；部分基于所述当前状态数据集合和当前控制输出数据，使用多个预测模型为所述被控系统估计下一采样时刻的控制输出数据和状态数据集合；部分基于第一控制输出数据和第一状态数据集合，使用所述多个预测模型为所述被控系统估计下下采样时刻的控制输出数据和状态数据集合；在为所述被控系统估计了第一预定数目的控制输出数据之后，基于预先设定的损失函数，基于所估计的控制输出数据与目标输出数据之间的差值，为所述被控系统确定第一预定数目的最优控制输入数据集合，所确定的最优控制输入数据集合使所述损失函数最小化；以及使用为所述被控系统估计的最优控制输入数据集合之一，对所述被控系统的被控对象进行控制。
[0006]根据本公开的第二方面，提供了一种计算设备，包括：至少一个处理器；以及与所
述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本公开的第一方面的方法。
[0007]在本公开的第三方面中，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中所述计算机指令用于使计算机执行本公开的第一方面的方法。
[0008]在一些实施例中，所述多个预测模型中的每一预测模型的模型参数是通过以下操作确定的：基于随机游走算法，生成新的控制输入数据集合；测量所述被控系统在所述新的控制输入数据集合控制下的状态数据集合、控制输出数据和负载数据；基于所测量的状态数据集合、控制输出数据和负载数据以及所述新的控制输入数据集合，使用递归最小二乘法为每一预测模型确定新的模型参数，每一预测模型的初始模型参数是以随机方式确定的；以及重复前面的操作，直到满足预定的更新停止条件为止，以便得到每一预测模型的最终模型参数。
[0009]在一些实施例中，基于随机游走算法，生成新的控制输入数据集合包括：对于当前控制输入数据集合中的每一控制输入数据，确定该控制输入数据与相应的调整值之间的和值；如果所确定的和值在相应的最小控制输入数据和最大控制输入数据之间，则确定相应的新的控制输入数据为所述所确定的和值；如果所述所确定的和值小于相应的最小控制输入数据，则确定该相应的新的控制输入数据为该最小控制输入数据；如果所述所确定的和值大于相应的最大控制输入数据，则确定该相应的新的控制输入数据为该最大控制输入数据。
[0010]在一些实施例中，所述调整值通过在相应的负安全步长和相应的正安全步长之间均匀采样得到的。
[0011]在一些实施例中，所述更新停止条件包括所述多个预测模型的当前模型预测误差小于预定的误差阈值。
[0012]在一些实施例中，所述多个预测模型均为线性预测模型，并且所述多个预测模型包括一个或多个状态数据预测模型和一个控制输出数据预测模型，每一状态数据预测模型被配置为基于相应采样时刻之前第二预定数目的控制输入数据集合和状态数据集合、相应采样时刻之前第二预定数目的控制输出数据以及相应的负载数据确定该相应采样时刻的相应状态数据，所述控制输出数据预测模型被配置为基于所述相应采样时刻之前第二预定数目的状态数据集合以及相应的负载数据确定该相应采样时刻的控制输出数据。
[0013]在一些实施例中，所述被控系统包括多个被控对象，并且每一控制输入数据集合包括多个控制输入数据，每一控制输入数据用于控制所述多个被控对象中的相应被控对象。
[0014]在一些实施例中，每一状态数据集合包括所述被控系统的一个或多个状态数据，每一状态数据指示所述被控系统的相应部分的相关状态。
[0015]在一些实施例中，所述被控系统为压缩空气系统，所述被控对象为所述压缩空气系统中的空气压缩站中的多个空压机，所述空压机为工频空压机或变频空压机。
[0016]在一些实施例中，每一状态数据集合包括所述压缩空气系统的相应产气端压力数据和产气端流量数据，并且每一控制输出数据为相应用气端压力数据。
[0017]应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特
征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
[0018]结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标注表示相同或相似的元素。
[0019]图1示出了用于实现根据本专利技术的实施例的基于MPC算法对被控系统进行动态控制的方法的示例系统100的示意图。
[0020]图2示出了根据本公开的实施例的空气压缩系统的示意图。
[0021]图3示出了根据本公开的实施例的用于被控系统的控制方案的说明性示意图。
[0022]图4示出了根据本公开的实施例的基于MPC算法对被控系统进行动态控制的方法400的流程图。
[0023]图5示出了根据本公开的实施例的用于确定多个预测模型中的每一预测模型的模型参数的方法500的流程图。
[0024]图6a示出了根据本公本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MPC算法对被控系统进行动态控制的方法，包括：在当前采样时刻，测量被控系统的当前状态数据集合和当前控制输出数据；部分基于所述当前状态数据集合和当前控制输出数据，使用多个预测模型为所述被控系统估计下一采样时刻的控制输出数据和状态数据集合；部分基于第一控制输出数据和第一状态数据集合，使用所述多个预测模型为所述被控系统估计下下采样时刻的控制输出数据和状态数据集合；在为所述被控系统估计了第一预定数目的控制输出数据之后，基于预先设定的损失函数，基于所估计的控制输出数据与目标输出数据之间的差值，为所述被控系统确定第一预定数目的最优控制输入数据集合，所确定的最优控制输入数据集合使所述损失函数最小化；以及使用为所述被控系统估计的最优控制输入数据集合之一，对所述被控系统的被控对象进行控制。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个预测模型中的每一预测模型的模型参数是通过以下操作确定的：基于随机游走算法，生成新的控制输入数据集合；测量所述被控系统在所述新的控制输入数据集合控制下的状态数据集合、控制输出数据和负载数据；基于所测量的状态数据集合、控制输出数据和负载数据以及所述新的控制输入数据集合，使用递归最小二乘法为每一预测模型确定新的模型参数，每一预测模型的初始模型参数是以随机方式确定的；以及重复前面的操作，直到满足预定的更新停止条件为止，以便得到每一预测模型的最终模型参数。3.根据权利要求2所述的方法，其中基于随机游走算法，生成新的控制输入数据集合包括：对于当前控制输入数据集合中的每一控制输入数据，确定该控制输入数据与相应的调整值之间的和值；如果所确定的和值在相应的最小控制输入数据和最大控制输入数据之间，则确定相应的新的控制输入数据为所述所确定的和值；如果所述所确定的和值小于相应的最小控制输入数据，则确定该相应的新的控制输入数据为该最小控制输入数据；以及如果所述所确定的和值大于相应的最大控制输入数据，则确定该相应的新的控制输入数据为该最大控制输入数据。4.根据权利要求3所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：周子叶，沈国辉，陈欢，
申请(专利权)人：蘑菇物联技术深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：