一种工业过程控制技术领域的基于模型预测控制的集结预测控制系统及其控制方法，包括：输入映射模块、传统预测控制模块、传感器和逆映射模块，其中：输入映射模块与传统预测控制模块相连接并将预测控制的输入控制序列进行线性映射，传统预测控制模块与控制对象相连以接接收系统对象状态值，传感器与控制对象相连且传感器的输出端与传统预测控制模块的输入端相连以传输检测信号，传统预测控制模块的输出端连接至逆映射模块，逆映射模块的输出端与控制对象相连接以输出控制策略。本发明专利技术的方法对集结预测控制器的控制性能进行优化，在降低预测控制器的在线计算量，提高其实时性的同时，保证了控制器的控制性能，具有很强的实用性和应用价值。
Aggregation predictive control system based on model predictive control and control method thereof
An industrial process control technology in the field of model predictive control assembly predictive control system and its control method, which is based on the input mapping module, the traditional predictive control module, sensor and inverse mapping module, wherein the input mapping module and traditional predictive control and predictive control module which is connected with the input sequence control of linear mapping, traditional forecasting the control module and the control object is connected to the ground receiving system object state, sensor and control objects are connected with the output end of the sensor and the traditional predictive control module is connected with the input end of the transmission signal, the traditional prediction of the output end of the control module is connected to the output end of the inverse mapping module, and control object inverse mapping is connected with the output module control strategy. The method of the invention is to optimize the prediction of the performance of the controller for aggregating, computation in online reducing prediction controller, while improving real-time performance, to ensure the performance of the controller, has very strong practicability and application value.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种工业过程控制
的控制系统及其控制方法，具体是一种基 于模型预测控制的集结预测控制系统及其控制方法。
技术介绍
模型预测控制是从上世纪70年代开始发展起来的一种先进控制方法。由于其对 模型的要求低，鲁棒性能好，可以较方便地处理约束等能力，因此得到工业界的青睐，尤其 是在诸如化工、炼油等过程控制对象中得到了广泛应用。但模型预测控制系统是一种采用 在线滚动优化的控制器，即控制器需要在每一时刻以系统当前状态为初始状态，在线求解 一个有限时域的优化问题而得到系统当前控制量。因此，控制的实时性往往成为制约模型 预测控制实际应用主要因素，如何减少模型预测控制器的在线计算量是一个亟待解决的问 题。预测控制的在线计算量通常主要由其优化问题的优化变量个数决定，所以为了降低预 测控制器的在线计算量，提高其控制实时性，在其出现的早期，通常采用控制时域小于预测 时域的方法。经对现有技术的文献检索发现，杜晓宁等在《控制与决策》(2002年，第5期， 563-566页)上发表“预测控制优化变量的集结策略”，提出对预测控制系统的优化变量 采用集结策略以及分段集结和衰减集结策略。该技术令控制序列U(k) =HV(k)，其中 H e Rfcxsm为集结矩阵(m为对象的输入维数，s为集结块数，N为控制时域长度)，集结变量 个数sm < Nm,而预测控制优化问题的优化变量也相应变成V (k)，从而减少预测控制器的在 线优化变量的个数，进而降低预测控制器的在线计算量。尽管通过集结，预测控制系统可以 有效降低其在线计算量，但由于优化问题的自由度也相应减少，使得集结后系统控制质量 无法保证。因此，如何在降低预测控制器的在线计算量的同时，优化集结预测控制器的控制 性能，对于工业应用具有更大意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于模型预测控制的集结预测 控制系统及其控制方法，在降低模型预测控制系统的在线计算量同时，保证系统的控制性 能尽可能不受控制序列变换带来的影响，以达到优化控制性能的目的。本专利技术采用以下方案实现本专利技术涉及集结预测控制系统包括输入映射模块、传统预测控制模块、传感器和 逆映射模块，其中输入映射模块与传统预测控制模块相连接并将预测控制的输入控制序 列进行线性映射，传统预测控制模块与控制对象相连以接接收系统对象状态值，传感器与 控制对象相连且传感器的输出端与传统预测控制模块的输入端相连以传输检测信号，传统 预测控制模块的输出端连接至逆映射模块，逆映射模块的输出端与控制对象相连接以输出 控制策略。本专利技术涉及的控制方法包括以下步骤第一步、采用状态方程i⑴= +礼⑴描述化工过程连续搅拌釜式反应器 (continuous stirred tank reactor, CSTR)系统，其中状态向量χ (t)为反应器内液体的 浓度和温度，控制量u(t)为冷却剂的流量，3和δ分别为系数矩阵；对状态方程进行离散化， 得到离散状态方程χ (k+1) = Ax (k) +Bu (k)。第二步、工控机根据采样周期，在k时刻发布采样命令，对化工过程连续搅拌釜式 反应器系统的状态向量进行检测，检测的信号通过模拟量输入通道经A/D转换后，输送到 工控机中。第三步、工控机第二步检测得到的系统状态，经过输入映射模块映射处理u(k)= H1VGO，将优化变量变为V(k)，其中u(k)为k时刻的预测控制输入序列，H1为映射系数矩阵。所述的优化变量满足以下条件 s. t. χ (k+i+11 k) = Ax (k+i | k) +Bu (k+i)U(k) = H1V(k), U(k) e Qu, x(k+i |k) e Ωχ其中:U(k) = 中线性无关的列向量做为基向量，求解方程 组 χ = 0的解空间的基Utl，得到矩阵G1 = GUtl，然后计算中间矩阵 W = (Glr^G1 +UT0RU0)，将中间矩阵 W 按列分成 W1 e R(Nm_n)Xm 和 W2 e R(Nm_n)x(Nm_m)两个部分， 并计算出列满秩的基本映射系数矩阵Hltl e R(Nn )Xm，满足///。％=()。3)在Hltl矩阵中对应中基向量所处的列位置插入单位向量的 行列，其中1元素所在的行号对应于该向量所在的列号，得到基本映射系数矩阵Htl，具体如下 4)基本映射系数矩阵的自由时域长度优化，根据实际应用的操作范围，选取时域长度，将H0分成 ，满足以下矩阵形式 其中1为单位矩阵，H01的行数为自由时域长度。本专利技术提出一种基于线性映射的具有性能保证的集结预测控制系统，可以有效地 解决预测控制在线计算量大而不利于实施的问题，并能够有效地保证系统的控制性能，具 有较高的实用价值。附图说明图1是本专利技术系统框图；图2是本专利技术实施例的传统预测控制系统状态轨迹图；图3是本专利技术实施例中集结预测控制系统的状态轨迹图；图4是本专利技术实施例中传统预测控制系统控制输入图；图5是本专利技术实施例中集结预测控制系统控制输入图；图6是本专利技术实施例中传统预测控制器系统状态响应图；图7是本专利技术实施例中集结预测控制器系统状态响应图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明本实施例在以本专利技术技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下 述的实施例。如图1所示，本实施例涉及集结预测控制系统，包括输入映射模块、传统预测控 制模块、传感器和逆映射模块，其中输入映射模块与传统预测控制模块相连接并将预测控 制的输入控制序列进行线性映射，传统预测控制模块与控制对象相连以接接收系统对象状态值，传感器与控制对象相连且传感器的输出端与传统预测控制模块的输入端相连以传输 检测信号，传统预测控制模块的输出端连接至逆映射模块，逆映射模块的输出端与控制对 象相连接以输出控制策略。针对本实施例，取预测控制的控制时域N = 20，状态和输入加权矩阵Qi和Ri分别 为相应维数的单位阵，另外为了保证稳定性加入终端状态约束I |x(k+N|k) I00^i;如图1所示，本实施例包括如下步骤第一步、对于常用化工过程连续搅拌釜式反应器(continuous stirred tankreactor, CSTR)系统，通常可以采用状态方程=如⑴+礼⑴来描述，系数矩阵^和g与系统实际参数和工作条件之间存在如下关系 其中参数取值分别为F = ImVmin, V = Im3, k0 = IOltVmin, P = 106g/m3，- Δ HrXn =1. 3X108cal/kmole, E/R = 8330. IK, UA = 5. 34X 106cal/K, Cp = lcal/(gK)。Ts 和 CAs 分别为反应器稳定状态的温度和浓度。考虑其稳定工作条件为Ts = 394k，Cas = 0. 265mol/ 1。以0. 15分为采样时间，将系统连续模型离散化，得到以下的状态方程 这里冷却剂流量约束为|u(k+i|k) I ( lm3/min。第二步、在k时刻，工控机根据采样和A/D转换得到状态的检测信息，并经过输入 映射模块映射处理，将优化变量变为v(k) (U(k) = HV(k))，求解下列二次优化问题，得到优 化变量V(k) s. t. χ 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种集结预测控制系统，其特征在于，包括：输入映射模块、传统预测控制模块、传感器和逆映射模块，其中：输入映射模块与传统预测控制模块相连接并将预测控制的输入控制序列进行线性映射，传统预测控制模块与控制对象相连以接接收系统对象状态值，传感器与控制对象相连且传感器的输出端与传统预测控制模块的输入端相连以传输检测信号，传统预测控制模块的输出端连接至逆映射模块，逆映射模块的输出端与控制对象相连接以输出控制策略。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李德伟，席裕庚，姜舒，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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