一种工业过程约束预测先进控制方法   0    0

本发明公开了一种工业过程约束预测先进控制方法，包括如下步骤：步骤1、建立工业过程单输入单输出模型；步骤2、设计工业过程控制器。本发明通过模型建立、控制器设计、算法设计等手段，设计了新型工业过程约束预测先进控制方法。利用该方法可以综合考虑多种因素并提高系统的控制性能。

1.一种工业过程约束预测先进控制方法，包括如下步骤：
步骤1、建立工业过程单输入单输出模型；
步骤2、设计工业过程控制器；
所述步骤具体如下：
1‑
1.建立单输入单输出模型如下：
x(k+1)＝A(k)x(k)+B(k)u(k)
y(k+1)＝Cx(k+1)
其中k表示采样时刻；x(k)、x(k+1)分别表示系统第k时刻、第k+1时刻的状态；y(k+1)表示系统第k+1时刻的输出；u(k)表示系统第k时刻控制输入；A(k)、B(k)分别表示系统第k时刻的两个对应参数矩阵；C是具有适当维数的系统矩阵；
1‑
2.当执行器出现部分故障时的控制量输入形式如下：
uF(k)＝αu(k)
其中0≤α≤1表示执行器故障程度；uF(k)是第k时刻存在故障时的控制量输入；
1‑
3.由步骤1‑1和步骤1‑2得到新的模型：
x(k+1)＝A(k)x(k)+B(k)uF(k)
y(k+1)＝Cx(k+1)
1‑
4.将步骤1‑3扩展成增量形式如下：
xm(k+1)＝Am(k)xm(k)+Bm(k)uF(k)
ym(k+1)＝Cmxm(k+1)
其中 Cm＝[0,1],xm(k)＝[Δx(k)y(k)]；Am
(k)、Bm(k)分别表示系统第k时刻的增量形式参数矩阵，Cm表示具有适当维数的增量形式系统矩阵；xm(k)、xm(k+1)分别表示系统第k时刻、第k+1时刻的增量形式状态；ym(k+1)表示系统第k+1时刻的增量形式输出,Δx(k)表示第k时刻的状态增量；y(k)表示第k时刻的输出；
1‑
5.引入目标函数来跟踪参考轨迹如下:
其中J∞(k)表示目标函数； 表示在A(k+i)或B(k+i)属于一定
维数矩阵Ω且Δu(k+i|k)最大值条件下J∞(k)的最小值；T表示转置符号；i表示某一任意时间段， 表示从0时间段到无穷时间段的累加；y(k+i|k)、Δu(k+i|k)表示第k时刻下第k+i时刻的实际输出和实际输入增量；yr(k+i)表示第k+i时刻的预测输出；Q表示输出跟踪误差的权重矩阵；R表示控制输入增量的权重矩阵；
1‑
6.将目标函数扩展为增量形式如下：
其中xm(k+i|k)表示第k时刻下第k+i时刻的实际状态增量；xr(k+i)表示第k+i时刻的预测状态增量； 表示状态跟踪误差的权重矩阵。

2.如权利要求1所述的工业过程约束预测先进控制方法，其特征在于：
步骤2具体如下：
2‑
1.定义跟踪误差：
e(k)＝y(k)‑yr(k)
其中e(k)表示第k时刻的输出误差，y(k)、yr(k)分别表示第k时刻的实际输出和预测输出；
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2.将步骤2‑1的公式变化为预测形式：
e(k+1)＝e(k)+CA(k)Δx(k)+CB(k)Δu(k)
其中e(k+1)表示第k+1时刻的输出误差；Δx(k)表示第k时刻的状态增量，Δu(k)表示第k时刻的输入增量；
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3.根据步骤2‑2可以得到增量状态空间模型：
z(k+1)＝Az(k)z(k)+Bz(k)Δu(k)
Δy(k+1)＝Czz(k+1)
其中 Cz＝[C 0]；Az(k)、Bz(k)分别表示增量
状态空间模型的第k时刻的两个对应参数矩阵；Cz是状态空间模型的具有适当维数的系统矩阵；z(k)、z(k+1)是第k时刻、第k+1时刻系统的增量形式状态；Δy(k+1)表示第k+1时刻的输出增量；
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4.结合步骤1‑6和步骤2‑3提出目标函数跟踪参考值：
其中z(k+1|k)表示第k时刻下第k+1时刻的预测扩展状态；
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5.引入约束条件：
其中|Δu(k+i|k)|、|Δy(k+i|k)|分别表示第k时刻下第k+i时刻输入增量绝对值和输出增量绝对值；Δumax、Δymax分别表示输入和输出的最大上限；
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6.由步骤2‑3、步骤2‑4和步骤2‑5可得更新律Δu(k+i|k)如下：
Δu(k+i|k)＝F(k)z(k+i|k)
‑1 ‑1
其中F(k)＝YS 是第k时刻的增益系数矩阵；Y、S 是两个根据目标函数取值的系数矩阵；
2‑
7.结合步骤2‑1到步骤2‑6得到工业过程最优控制律Δu(k+i|k)并作用于被控对象。