[發(fā)明專利]多模型廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)及其性能評(píng)估方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210496506.7
• 申請(qǐng)日: 2012-11-28
• 公開（公告）號(hào): CN102998974A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王昕;張巍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/00
• 分類號(hào): G05B13/00
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種工業(yè)控制系統(tǒng)，尤其涉及一種基于多模型切換的廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的性能的監(jiān)控與評(píng)估。

背景技術(shù)

現(xiàn)代的工業(yè)過程大都實(shí)現(xiàn)了集成化與自動(dòng)化，過程中存在著大量的控制回路，控制回路性能不佳將降低控制回路的有效性，導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)不能安全穩(wěn)定運(yùn)行。只有那些設(shè)計(jì)良好并且得到定期的維護(hù)的控制系統(tǒng)才能得到長期穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)效益，然而在大型的工業(yè)過程中，通常會(huì)存在許多動(dòng)態(tài)特性會(huì)突變的控制回路，但相應(yīng)的維護(hù)工程師卻很少。

廣義預(yù)測(cè)控制(GPC)將滾動(dòng)優(yōu)化策略與自適應(yīng)方法相結(jié)合，采用參數(shù)模型，設(shè)計(jì)較為靈活，且具有優(yōu)良的控制性能和魯棒性，因此被廣泛應(yīng)用于石化、煉油、制藥、電力和污水處理等工業(yè)過程領(lǐng)域。在大工況下，由于系統(tǒng)的辨識(shí)和建模是非常復(fù)雜的，很難建立實(shí)際工業(yè)過程中的全局精確模型，致使單一模型的廣義預(yù)測(cè)控制很難滿足系統(tǒng)的要求。又由于受到隨機(jī)噪聲的干擾，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差難以消除，這些都導(dǎo)致控制回路的性能不佳，僅僅通過調(diào)整參數(shù)是不能從根本上解決問題的。因此急需采取新的控制策略或者改造硬件設(shè)備才能改善系統(tǒng)的性能，并需要一些有效的方法來評(píng)估各個(gè)回路的性能。

控制系統(tǒng)性能評(píng)估的概念最早是由Harris于1989年提出的，采用基于最小方差的性能評(píng)估指標(biāo)，并將其作為單變量控制系統(tǒng)性能評(píng)估的下限，為單變量控制回路的性能評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。為了更深一步的研究控制系統(tǒng)的性能評(píng)估，前人做了很多工作，并且取得了豐碩的研究成果，主要包括以下幾個(gè)方面：基于最小方差的前饋反饋控制回路的性能評(píng)估，基于最小方差的不穩(wěn)定和非最小相位系統(tǒng)的性能評(píng)估，帶約束的模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的性能評(píng)估等。但是廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的性能評(píng)估仍處于起步階段。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題：提出一種多模型廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了控制系統(tǒng)參數(shù)突變對(duì)系統(tǒng)帶來的影響，提高了暫態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，并且證實(shí)其性能明顯優(yōu)于單模型廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)。

本發(fā)明還提供一種多模型廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的性能評(píng)估方法，用于對(duì)上述的多模型廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

多模型廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，采用多個(gè)固定模型、一個(gè)常規(guī)的自適應(yīng)模型和一個(gè)可重新賦初值的自適應(yīng)模型組成，并行辨識(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其中，固定模型用來提高系統(tǒng)的暫態(tài)性能，自適應(yīng)模型則用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，并且保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可重新賦初值的自適應(yīng)模型可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的暫態(tài)性能、縮短暫態(tài)時(shí)間。

在多模型切換上，首先設(shè)計(jì)一個(gè)性能指標(biāo)，該性能指標(biāo)考慮了歷史誤差對(duì)系統(tǒng)的影響，在每一個(gè)采樣時(shí)刻，系統(tǒng)都將自動(dòng)的切換到使性能指標(biāo)最小的子模型上，根據(jù)得到的子模型，設(shè)計(jì)廣義預(yù)測(cè)控制器，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的暫態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的提高。

一種多模型廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的性能評(píng)估方法，用于對(duì)上述的多模型廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估，是采用最小方差的性能評(píng)估方法作為評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)，確定系統(tǒng)是否運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)，為已有的控制系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)改造提供依據(jù)。

有益效果：從本發(fā)明的基于多模型切換的廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)與現(xiàn)有的單一模型的廣義預(yù)測(cè)控制相比，極大了提高了系統(tǒng)的暫態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，以及模型參數(shù)跳變時(shí)的系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力。采用多模型廣義預(yù)測(cè)控制后系統(tǒng)的性能明顯提高。

附圖說明

圖1（1）和圖1（2）分別為單模型廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的輸出曲線和控制量變化曲線；

圖2（1）和圖2（2）分別為多模型廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的輸出曲線和控制量變化曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

(1)本發(fā)明針對(duì)的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型如下：

A(z^-1)y(k)=B(z^-1)u(k-1)+C(z^-1)ξk)/Δ(1)

上式中，u(k)、y(k)、ξ(k)分別為被控對(duì)象的輸入、輸出和均值為零的白噪聲序列，Δ＝1-z^-1為差分算子。這里取A=[a₁,a₂,a₃]=[1,-2,1.1]，B=[b₀,b₁]=[1,2]，C＝1。