[發明專利]一種基于軟約束的區間預測控制建模及優化方法

有效

• 申請號: 201410169068.2
• 申請日: 2014-04-24
• 公開（公告）號: CN103995466B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 孫超;郝曉辰;周湛鵬;姜迎;劉彬;韓輝;劉浩然;陳白
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 秦皇島一誠知識產權事務所(普通合伙)13116
• 代理人: 李合印

技術領域

本發明屬于過程控制領域，尤其涉及一種基于軟約束的區間預測控制建模及優化方法。

背景技術

近年來，隨著工業過程系統的規模日趨龐大和能源供應的日趨緊張，以及能源價格一再拉高，生產者們不再單單對生產過程的某一參量或某一性能提出控制要求，而是根據生產要求以及人為意愿提出經濟性、快速性等綜合性能指標控制。然而由于環境因素和系統自身的復雜性，實際系統存在多種約束，因而普通的預測控制方法是很難滿足控制要求。

在實際工業控制過程中，如果把系統區域約束條件考慮到控制目標中會導致優化控制器的可行集縮小，或者多層優化指標的引入又會使控制器求解計算量很大，所以傳統的優化方法不能同時考慮優化經濟和處理約束目標。考慮到控制模型算法的可行性，早些時候的線性化處理方法，凸多面體幾何角度方法都是針對線性模型，對在非線性系統上的應用是否可行尚未得到驗證。另外，對于求解算法，各種改進形式的遺傳算法、粒子群算法等多種非線性優化求解算法。這些算法在求解控制模型時需要多次迭代計算，因此計算量很大，程序運行起來繁瑣復雜，從而導致實際系統快速運行時無法實現實時控制。

綜上所述，現有方法不是有局限性就是求解計算量大，很難應用到實踐中去。本發明對于復雜的多變量有約束系統，建立了一個能夠處理約束目標、協調操作控制和改善經濟指標控制模型，并且設計了一個既能夠自動放松輸出約束可行集又能快速、準確求解控制模型的方法。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種可以解決經濟性和控制性協調優化的控制模型，當約束集不可行時能快速準確求解控制輸入方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于軟約束的區間預測控制建模及優化方法，其內容包括如下步驟：

步驟一：利用被控變量(controlled?variable，縮寫為CV)預測輸出與軟、硬約束構造區間約束項指標，對輸出進行區間控制；

步驟二：記CV預測輸出超出軟約束區間的上線或下線的偏差值為松弛變量A1或A2，軟約束上線與硬約束上線和軟約束下線與硬約束下線差值分別記為B1和B2；根據A1與B1或A2與B2的比值確定區間約束項加權矩陣元素的大小：當比值大于1時，對應的權值矩陣元素都為1；當比值介于0和1之間時，對應的權值矩陣元素為比值的平方；當比值為0時，對應的權值矩陣元素都為0；

步驟三：利用CV經濟約束構造CV區間控制項指標，利用操作變量(manipulated?variable，縮寫為MV)經濟約束構造MV區間控制項指標，CV區間控制項指標與MV區間控制項指標之和統稱為區間控制項指標；

步驟四：利用輸出量、控制量和控制量增量的二次性能指標之和構造控制模型經濟項指標；將所述的輸出量和控制量的權值矩陣元素與產品產量有關的權值設為負值，將與成本有關的權值設為正值，而將與產量和成本均無關的二次指標對應的權值設為零，則控制增量的加權矩陣為單位矩陣；

步驟五：用區間約束項指標、區間控制項指標和經濟項指標的二次性能指標三者之和作為綜合優化方法的控制模型，各項權值矩陣的調節遵循變量優先權原則，優先級順序為：約束項、經濟項、控制項；只有被控變量處于軟約束范圍內時才能對經濟項和控制項的權重進行協調，此時區間約束項權值全部為0，且經濟項的權值的最小值大于對應項控制項的權值的最大值；

步驟六：通過求解松弛變量A1或A2是否為0，判斷求解方法是否可行。當求解方法不可行時，輸出軟約束放松大小為松弛變量A1或A2，使控制模型重新變得可行；在可行性分析后，當松弛變量的解為0時，約束控制模型可行，當松弛變量的解不為0時，約束控制模型不可行；

步驟七：當求解方法可行時，若初始點選擇不佳，用蒙特卡羅方法找到接近最優點的可行域點；

步驟八：在Hessian矩陣正定性的確保下，采用積極約束估計集方法，減少二次規劃方法中子問題的約束條件，并結合最速下降與擬牛頓方法求取最優化過程的可行下降方向，通過循環迭代求取最優控制輸入。

在步驟七中所述的蒙特卡羅方法，記為方法一，其內容包括如下步驟：

第一步預置N為充分大的正數，確定選點個數M；

第二步用隨機函數及條件限制產生可行點x；

第三步計算控制模型:F＝f(x)；

第四步比較函數值:若F≥N，轉第六步；否則，轉第五步；

第五步記錄當前最優點的信息:N＝F,x^k＝x；