本发明专利技术公开了一种用于工业水槽液位串级预测控制系统的一致性约束方法，1)分别建立外回路PFC控制器和内回路PID控制器的控制结构模型；2)判断外回路PFC控制器和内回路PID控制器是否约束一致；3)采用约束回退算法，将内回路PID控制器约束预先加载于外回路PFC控制律中，并获得外回路PFC控制器优化计算时新约束条件集；4)外回路PFC控制器在新约束条件集下进行优化计算，获得内回路PID控制器的设定值，并将该设定值提供给内回路PID控制器以跟踪该设定值。本发明专利技术通过对PFC-PID串级控制回路中出现的底层回路控制器饱和及上下层约束不一致问题，通过约束回退计算，使得优化所得设定值对于底层回路切实可行，改善系统的控制性能，提高生产单元经济效益。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种一致性约束方法，尤其是一种用于工业水槽液位串级预测控制系 统的一致性约束方法。
技术介绍
工业生产过程中，由于执行机构和生产装置的物理特性所限，如阀门的线性工作 量程、阀门的调节速率、油罐的容积和液位限制等，控制器存在一定范围的可操作性，并要 求过程输出在一定的安全范围内。同时，为了在保证产品质量的前提下最大化企业经济效 益，通常希望在一定概率约束范围内尽可能的使操作点靠近约束限，实现卡边操作。因此， 根据约束的强制性和优化性，通常设定硬约束和软约束两级约束策略。生产操作的基本要 求是保证各变量不违背硬约束的限制，否则将采取停车停产等应急措施以防止事故的发 生。一旦发生停车，这对于连续作业的流程工业企业将损失数百万元甚至更多的经济效益。 因此，企业通常将停车作为生产事故处理，而尽可能避免其发生。对于软约束的限制，如果 生产过程操作点超限，则会报警以提醒操作工程师对生产工况进行调节。对于传统的PID控制方案，操作工程师根据生产经验，保证操作点不违背硬约束 的限制。操作工程师的生产经验及对生产过程的理解对控制的效果影响很大。对于软约束 和经济性能，由于缺少必要的确定性模型信息，难以保证其最优化，通常的做法是为保证安 全性而以损失经济效益为代价，因此操作过程会在一个较大的范围内波动，并且距操作软 约束预留较大的退避值。预测控制(Model Predictive Control,以下简称MPC)作为先进控制策略的典型 代表，近些年来已广泛应用于石油、化工、造纸、制药等流程工业。预测控制的主要特性之一 是可以方便的处理约束问题。根据对生产系统辨识而获取的过程模型，对未来过程输出进 行预测，同时将过程输出和模型预测输出反馈给控制器进行优化控制，改善控制效果，压缩 过程输出波动，进而在保证不违背硬约束的前提下，允许一定概率范围内的软约束超限，使 操作点进一步靠近约束限以实现卡边控制，最大化经济效益。因此可以说，预测控制对于经 济效益的提高主要取决于两方面因素第一，改善控制效果以减小生产波动；第二，合理处 理退避问题以使操作点靠近约束限。由此可见，无论对于生产的安全性，还是对于企业经济 效益的提高，合理处理过程约束都是流程工业中一个重要的问题。预测函数控制(Predictive Functional Control,以下简称PFC)被称为第三代预 测控制器。由于其具有算法简单、不需要处理二次型优化问题、计算量小等特点，因此可以 方便的嵌入DCS (Distributed Control System,以下简称DCS)或PLC (Programmable Logic Controller,以下简称PLC)中，不仅可以处理流程工业等慢响应过程，同时也有效的应用 于快速控制过程，如机器人、航空器、武器控制系统等。在石油、化工等流程工业中，较之一 般的二次型预测控制算法，PFC能够避免求解二次型优化问题，其控制结构简单，因而更加 贴近于PID控制器而可以直接应用于底层基础回路动态控制。PFC-PID串级控制回路与常用于工业过程中的一般性MPC-PID串级控制回路的控制结构一致。由于流程工业中95%以上的控制方案都采用的PID控制算法并且已经有几十 年甚至近百年的应用历史，采用MPC(PFC)-PId串级控制结构兼顾了兼容性和最优性，因而 更容易被工业企业和操作工程师所接受。这一类PFC-PID串级控制回路的特点是，内回路PID控制器和外回路PFC控制器 控制的对象为同一过程，这在工业过程中是一种典型的控制方案，如错误！书签自引用无 效。所示。对于外回路控制器来说，内回路控制器的作用是“透明”的，因此称这种串级控 制为“传导控制”。液位控制是工业生产中典型的过程控制问题，对液位准确的测量和有效控制是一 些设备优质高产、低耗和安全生产的重要指标。针对水槽液位系统广义对象，采用一阶惯性 加纯滞后来近似等效，考虑到其时间常数和滞后时间都比较大，故采用鲁棒性强、易于工程 实施的预测函数控制策略。工业水槽液位控制系统主要包括水箱控制单元、DCS控制机柜和 上位机组态与监控环境。在该系统下设计PFC-PID传导控制回路，主要包括外回路PFC控 制器和内回路PID控制器，其控制流程如图2所示。内回路采用比例P控制来处理过程动 态特性，外回路采用无显式积分器的PFC控制策略跟踪设定值。外回路通过优化计算为内 回路提供设定值，内回路通过动态控制跟踪该设定值。但是，由于各级回路之间的约束不一 致问题，难以保证外回路优化结果的正确性和可行性。针对这一问题，对多层结构预测函数 控制进行约束一致性分析，通过串级回路的回退计算，将内回路约束逐级传递至外回路，从 而保证优化设定值对于基础回路动态控制切实可行。通过仿真分析验证了约束回退计算方 法对于控制效果的提高。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种针对PFC-PID串级控制回路中出现 的底层回路控制器饱和及上下层约束不一致问题，保证外回路控制器计算出正确的最优设 定值，防止由于错误计算导致的波动、超调等现象，改善控制性能，提高生产单元经济效益 的。本专利技术技术方案是一种用于工业水槽液位串级预测控制系统的一致性约束方 法，包括以下步骤I)建立用于工业水槽液位串级预测控制系统的外回路PFC控制器的控制结构模 型和内回路PID控制器的控制结构模型；2)判断外回路PFC控制器和内回路PID控制器是否约束一致，如果一致则进行步 骤3)，如果不一致，则返回步骤I)重新建立外回路PFC控制器的控制结构模型和内回路 PID控制器的控制结构模型；3)在外回路PFC控制器和内回路PID控制器约束一致的情况下，采用约束回退算 法，将内回路PID控制器约束预先加载于外回路PFC控制律的计算过程中，并获得外回路 PFC控制器在进行优化计算时新的约束条件集；4)外回路PFC控制器在新的约束条件集下进行优化计算，获得内回路PID控制器 的设定值，并将该设定值提供给内回路PID控制器，使内回路跟踪该设定值。进一步设置为，在步骤I)中，建立用于工业水槽液位串级预测控制系统的外回路 PFC控制器的控制结构模型和内回路PID控制器的控制结构模型，所述外回路PFC控制器的控制结构模型为本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于工业水槽液位串级预测控制系统的一致性约束方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立用于工业水槽液位串级预测控制系统的外回路PFC控制器的控制结构模型和内回路PID控制器的控制结构模型；2)判断外回路PFC控制器和内回路PID控制器是否约束一致，如果一致则进行步骤3)，如果不一致，则返回步骤1)重新建立外回路PFC控制器的控制结构模型和内回路PID控制器的控制结构模型；3)在外回路PFC控制器和内回路PID控制器约束一致的情况下，采用约束回退算法，将内回路PID控制器约束预先加载于外回路PFC控制律的计算过程中，并获得外回路PFC控制器在进行优化计算时新的约束条件集；4)外回路PFC控制器在新的约束条件集下进行优化计算，获得内回路PID控制器的设定值，并将该设定值提供给内回路PID控制器，使内回路跟踪该设定值。
【技术特征摘要】
1.一种用于工业水槽液位串级预测控制系统的一致性约束方法，其特征在于，包括以下步骤1)建立用于工业水槽液位串级预测控制系统的外回路PFC控制器的控制结构模型和内回路PID控制器的控制结构模型；2)判断外回路PFC控制器和内回路PID控制器是否约束一致，如果一致则进行步骤 3)，如果不一致，则返回步骤I)重新建立外回路PFC控制器的控制结构模型和内回路PID 控制器的控制结构模型；3)在外回路PFC控制器和内回路PID控制器约束一致的情况下，采用约束回退算法，将内回路PID控制器约束预先加载于外回路PFC控制律的计算过程中，并获得外回路PFC控制器在进行优化计算时新的约束条件集；4)外回路PFC控制器在新的约束条件集下进行优化计算，获得内回路PID控制器的设定值，并将该设定值提供给内回路PID控制器，使内回路跟踪该设定值。2.根据权利要求1所述的一种用于工业水槽液位串级预测控制系统的一致性约束方法，其特征是在步骤I)中，建立用于工业水槽液位串级预测控制系统的外回路PFC控制器的控制结构模型和内回路PID控制器的控制结构模型，所述外回路PFC控制器的控制结构模型为3.根据权利要求2所述的一种用于工业水槽液位串级预测控制系统的一致性约束方法，其特征是在步骤2)中，判断外回路PFC控制器和内回路PID控制器是否约束一致，采用以下方法，①内回路采用比例P控制时，对于内回路PID控制器的控制结构模型(1-2)表示的内回路比例控制律，人为设置一内回路的设定值SP' int，并令该设定值SP' int> SPint，则相应的内回路控制律为u' int=(SP' int-yp (k)) Kint (2-1)式中，Uint'为内回路设定值取SPint'时，内回路控制器的输出值；②将内回路控制律(2-1)与内回路PID控制器的控制结构模型(1-2)相减，得到 U' int_uint = (SP； int-yp (k)) Kint-(SPint-yp (k)) Kint (2-2)即u' int_Uint = (SP' int-SPint) ...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢磊，王燕青，苏宏业，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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