[發(fā)明專利]一種串級(jí)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611257696.1
• 申請(qǐng)日: 2016-12-30
• 公開（公告）號(hào): CN106610588B
• 公開（公告）日: 2019-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 耿濤;趙金;王旭東;劉洋;鐘鳳娟;劉淑君
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣東華中科技大學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院;華中科技大學(xué);廣東省智能機(jī)器人研究院
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 44102 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 羅曉林;楊桂洋<國(guó)際申請(qǐng)>=<國(guó)際公布>

本發(fā)明公開了一種串級(jí)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)及方法，包括一個(gè)預(yù)測(cè)控制器和副回路、主回路兩個(gè)控制對(duì)象模型，預(yù)測(cè)控制器的輸出端與副回路的輸入端連接，副回路的輸出端與主回路的輸入端連接，副回路的輸出端與預(yù)測(cè)控制器的輸入端連接，主回路的輸出端與預(yù)測(cè)控制器的輸入端連接，參考輸入從預(yù)測(cè)控制器的輸入端輸入，本發(fā)明解決了串級(jí)預(yù)測(cè)控制器的約束處理問(wèn)題，將副回路輸出表達(dá)成控制變量的線性組合，可以在預(yù)測(cè)控制的框架下實(shí)現(xiàn)對(duì)副回路輸出、控制變量約束、主回路輸出的約束，既可實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器限幅保護(hù)，又提高控制品質(zhì)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種串級(jí)預(yù)測(cè)控制方法。

背景技術(shù)

在工業(yè)控制中，串級(jí)控制作為經(jīng)典的控制結(jié)構(gòu)，被廣泛成功地應(yīng)用于各種工業(yè)控制。隨著生產(chǎn)過(guò)程向著大型、連續(xù)和強(qiáng)化方向發(fā)展，對(duì)操作條件要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)的精度和功能提出許多新的要求，特別是熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等生產(chǎn)領(lǐng)域重要的環(huán)節(jié)，由于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的安全性和經(jīng)濟(jì)性要求較高，必須采用先進(jìn)的控制方法，來(lái)提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。

串級(jí)控制，又叫雙閉環(huán)或多閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有良好的控制品質(zhì)。其根本原因在于串級(jí)控制具有特殊的結(jié)構(gòu)，由主回路與副回路兩個(gè)控制回路組成，各回路采用PID分別控制，如圖1所示。如果各回路都采用PID控制器的話，主回路與副回路兩個(gè)PID控制器整定參數(shù)，需要反復(fù)試湊，因此串級(jí)系統(tǒng)整定是一個(gè)非常耗時(shí)、耗力的過(guò)程。然而，對(duì)于主、副回路時(shí)間常數(shù)在同一數(shù)量級(jí)的系統(tǒng)中，主、副回路控制器相互之間影響較大，不但需要考慮單獨(dú)PID的整定還需要考慮主、副回路相互的影響，無(wú)法使用分離的整定策略。如果主、副回路不能得到良好整定，會(huì)出現(xiàn)主、副回路的振蕩，系統(tǒng)不穩(wěn)定等問(wèn)題，影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)與安全。另外，如果串級(jí)系統(tǒng)的控制對(duì)象存在大滯后、弱非線性等復(fù)雜特性，PID整定與設(shè)計(jì)則更為繁瑣，并且無(wú)法保證控制品質(zhì)。

模型預(yù)測(cè)控制(Model Predictive Control,MPC)又稱預(yù)測(cè)控制，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類新型的計(jì)算機(jī)控制算法，已趨于成熟。在工業(yè)控制過(guò)程中，以預(yù)測(cè)控制為代表的先進(jìn)控制，控制品質(zhì)被廣泛充分證明優(yōu)于傳統(tǒng)PID的。由于它采用多步測(cè)試、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正等控制策略，控制效果好，適用于控制不易建立精確數(shù)字模型且比較復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，所以它一出現(xiàn)就受到國(guó)內(nèi)外工程界的重視。為了提高串級(jí)控制的控制品質(zhì)，很多研究將預(yù)測(cè)控制與串級(jí)控制這種特殊的控制結(jié)構(gòu)相結(jié)合，并獲得了一定的理論與應(yīng)用成果。部分研究將串級(jí)控制回路中的主回路控制器使用預(yù)測(cè)控制器代替，副回路仍采用PID控制器，在一定程度上提高了串級(jí)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。為了進(jìn)一步提高串級(jí)系統(tǒng)的控制效果，研究人員進(jìn)一步將主、副回路控制器分別使用預(yù)測(cè)控制代替，在兩個(gè)控制器中分別使用兩個(gè)獨(dú)立的指標(biāo)函數(shù)，但整定也是分別進(jìn)行的。上述兩種結(jié)構(gòu)的主要方案是采用常規(guī)的串級(jí)控制框架，將主回路控制器或者副回路控制器使用預(yù)測(cè)控制器代替，以此來(lái)提高串級(jí)回路的控制效果。在這種控制模式下，雖然在一定程度上利用預(yù)測(cè)控制提高了串級(jí)控制品質(zhì)，但仍存在兩個(gè)控制器，并且兩個(gè)控制器之間沒(méi)有任何形式上統(tǒng)一。

因此，上述串級(jí)控制和模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)主要存在以下問(wèn)題：

(1)串級(jí)控制如果主、副回路不能得到良好整定，會(huì)出現(xiàn)主、副回路的振蕩，系統(tǒng)不穩(wěn)定等問(wèn)題，影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)與安全。

(2)如果串級(jí)系統(tǒng)的控制對(duì)象存在大滯后、弱非線性等復(fù)雜特性，PID整定與設(shè)計(jì)則更為繁瑣，并且無(wú)法保證控制品質(zhì)。

(3)模型預(yù)測(cè)控制，雖然在一定程度上利用預(yù)測(cè)控制提高了串級(jí)控制品質(zhì)，但仍存在兩個(gè)控制器，并且兩個(gè)控制器之間沒(méi)有任何形式上統(tǒng)一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種串級(jí)預(yù)測(cè)控制方法，既可實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器限幅保護(hù)，又提高控制品質(zhì)。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：