[發明專利]一種化工多變量過程的解耦狀態空間預測控制方法

有效

• 申請號: 201210357080.7
• 申請日: 2012-09-24
• 公開（公告）號: CN102902201A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 張日東;薛安克;王建中;葛銘;孔亞廣
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G05B13/00
• 分類號: G05B13/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明屬于自動化技術領域，涉及一種化工多變量過程的解耦狀態空間預測控制方法。

背景技術

化工多變量過程是我國流程工業過程的重要組成部分，其要求是供給合格的工業產品，以滿足我國工業發展的需要。作為工業生產的一個重要主體，流程工業生產過程水平的提高對整個工業經濟效益的提高起著至關重要的作用。為此，生產過程的各個主要工藝參數必須嚴格控制。隨著工業的發展以及對產品的質量、能源消耗和環境保護的要求越來越高，對工業過程的控制精度要求也越來越嚴格，傳統的控制方法雖滿足了一定的要求，但難以進一步提升控制水平，加上工藝過程變得更加復雜。簡單的單回路過程控制已經無法滿足控制精度和平穩性的要求，產品合格率低，裝置效率低下。而目前實際工業中控制基本上采用傳統的簡單的控制手段，控制參數完全依賴技術人員經驗，使生產成本增加，控制效果很不理想。我國化工過程控制與優化技術比較落后，能耗居高不下，控制性能差，自動化程度低，很難適應節能減排以及間接環境保護的需求，這其中直接的影響因素之一便是系統的控制方案問題。

發明內容

本發明的目標是針對現有的化工過程系統控制技術的不足之處，提供一種化工多變量過程的解耦狀態空間預測控制方法。該方法彌補了傳統控制方式的不足，保證控制具有較高的精度和穩定性的同時，也保證形式簡單并滿足實際工業過程的需要。

本發明方法首先基于化工過程模型建立解耦狀態空間模型，挖掘出基本的過程特性；然后基于該解耦狀態空間模型建立預測控制回路；最后通過計算預測控制器的參數，將過程對象整體實施預測控制。

本發明的技術方案是通過數據采集、過程處理、預測機理、數據驅動、優化等手段，確立了一種化工多變量過程的解耦狀態空間預測控制方法，利用該方法可有效提高控制的精度，提高控制平穩度。

本發明方法的步驟包括：

(1)利用化工過程模型建立解耦狀態空間模型，具體方法是：

首先采集化工過程的輸入輸出數據，利用該數據建立輸入輸出模型如下：

其中、、分別為輸出向量變換、傳遞函數矩陣、輸入向量變換；?

，，

,,,表示過程的各回路傳遞函數，和分別為第個輸入、輸出變量的變換，，為計算機控制系統的離散變換算子，為的倒數，為過程的輸入輸出變量個數，所述的輸入輸出數據為數據采集器中存儲的數據；

進一步對上述方程選取伴隨矩陣解耦陣為：

其中，是伴隨矩陣解耦陣，為的伴隨矩陣。

將上述伴隨矩陣解耦陣與過程輸入輸出模型合并得到：

其中，是得到的解耦過程模型，為的行列式，為以的行列式為元素的對角矩陣。

?

將上述解耦過程模型處理成個單變量過程的離散方程形式：

其中和分別是第個過程的輸出和輸入變量，，和分別是和的系數矩陣多項式；?

???????????????????????????

其中是相應的系數矩陣，為后移步算子，是得到的模型階次；

將上述單變量過程的離散方程模型通過后移算子處理成狀態空間形式：

。

其中，?、分別是第時刻的變量值，為第時刻的輸入增量變量值，、分別為第時刻的輸出變量增量和輸入變量增量值，、、分別為對應的狀態矩陣、輸入矩陣和輸出矩陣，為取轉置符號。

定義一過程期望輸出為，并且輸出誤差為：

?進一步得到第時刻的輸出誤差為：

其中，為第時刻的過程期望輸出增量。

?????定義一個新的復合狀態變量：

??將上述處理過程綜合為一個部分解耦的過程模型：

其中，為第時刻的復合狀態變量，、、分別為對應復合狀態變量的狀態矩陣、輸入矩陣和輸出矩陣，具體是：

，，

(2)基于該解耦狀態空間模型設計預測控制器，具體方法是：

a.定義該預測控制器的目標函數為：

其中，為目標函數，是預測步長，是控制步長，、是加權矩陣，、分別為第時刻的復合狀態變量和輸入增量變量。

b.定義控制變量的作用范圍為：

c.計算控制器的參數，具體是：

首先定義與控制器參數計算的三個相關矩陣、和，具體是：????

，，