[發明專利]抗不確定性的2D分段仿射間歇過程最小-最大優化的預測控制方法

有效

• 申請號: 201910715314.2
• 申請日: 2019-08-05
• 公開（公告）號: CN110597055B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 羅衛平;王心如;王立敏
• 申請（專利權）人: 海南師范大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 沈陽之華益專利事務所有限公司 21218
• 代理人: 黃英華

本發明提供一種抗不確定性的2D分段仿射間歇過程最小?最大優化的預測控制方法，屬于工業過程的先進控制領域，包括以下步驟：步驟1、針對間歇過程的非線性特性，將其分成一系列仿射運算區域，建立被控對象以狀態空間模型為基礎的具有不確定性的二維預測控制系統模型；步驟2、針對新的狀態空間模型，設計被控對象的抗不確定性2D分段仿射最小?最大優化的預測控制器。該方法將非線性系統分成一系列線性分段仿射模型，并在不確定性下設計了分段仿射間歇過程最小?最大優化的預測控制器，使得系統在各種不確定性存在的情況下，依然穩定運行，并實現良好的控制性能。

技術領域

本發明屬于工業過程的先進控制領域，涉及一種抗不確定性的2D分段仿射間歇過程最小-最大優化的預測控制方法。

背景技術

隨著人們對高品質生產的要求越來越高，間歇過程的控制受到了極大的挑戰。同時不可避免的不確定性和干擾也對控制提出了更高的要求方法。執行器不確定性在工業過程中很常見，導致執行器的輸出響應可能不是控制器計算出控制信號的精確響應。在這種情況下，控制系統的性能可能惡化到不可接受的程度。執行器一旦發生故障，系統將不受控制，嚴重時甚至造成設備損壞，財產損壞和人員的安全問題。除了執行器不確定之外，其他不確定性如干擾也同樣會使系統性能變差。此外，間歇過程還具有非線性特性，與線性系統相比，非線性系統一直以來都是控制界研究的難點和熱點，非線性模型中有許多獨特的動態特性十分難以描述，這些特性使得建立高度非線性的間歇過程生產模型十分困難，增大了對非線性系統研究的難度。因此，提出一種新的控制方法在不確定影響下依然能夠平穩運行是十分必要的。

發明內容

針對間歇過程出現的上述情況：局部執行器不確定性和未知擾動，間歇過程非線性特性，設計一個抗不確定性的2D分段仿射間歇過程最小-最大優化的預測控制方法，使得系統在各種不確定性存在的情況下，依然穩定運行，并實現良好的控制性能。并將非線性系統分成一系列線性分段仿射模型，從而解決非線性給系統帶來的難題，并設計出相應簡單實時調節的控制器，解決已有方法中控制器增益不可調節的弊端，實現高精控制和節能減耗的目標。

本發明目的一是針對局部執行器不確定性和未知擾動的非線性間歇過程，通過分段模型識別方法導出一系列線性仿射模型，從而得到多個線性系統模型，解決了非線性特性給系統帶來的影響。二是所設計的基于最小-最大優化的預測控制器，采用兩步優化來進一步提高系統控制性能，并且所設計的控制器提供了更多自由度來調節閉環系統性能。性能改進的同時，解決了控制器增益不可調節的弊端。本發明首先根據非線性模型將其分成一系列仿射運算區域，并通過分段模型識別方法導出一系列線性仿射模型，并考慮不確定性，從而得到具有多面體不確定性的可觀測的離散模型。通過引入狀態誤差和輸出誤差，得到新等價的2D狀態空間模型，本發明工作都是在此基礎上進行設計，設計了基于最小-最大優化的預測控制器，采用兩步優化來進一步提高系統性能。所提出的控制方法提供了更多自由度來調節閉環系統性能，從而獲得改進的控制性能。

本發明的技術方案是通過給定模型、模型轉化、預測機理、優化等手段，確立了一種抗不確定性的2D分段仿射間歇過程最小-最大優化的預測控制器設計方法，利用該方法有效解決了具有局部執行器不確定性和干擾的控制問題及非線性模型建立和控制問題，有效改善間歇過程跟蹤性能和解決控制器不能調節的弊端，解決了非線性給系統控制帶來的影響，實現系統在不確定下引起的模型失配仍具有良好的控制效果。

本發明是通過以下技術方案實現的：

抗不確定性的2D分段仿射間歇過程最小-最大優化的預測控制方法，包括以下步驟：

步驟1、針對間歇過程的非線性特性，將其分成一系列仿射運算區域，建立被控對象以狀態空間模型為基礎的具有不確定性的二維預測控制系統模型，具體是：

1.1構建新型間歇過程不確定性系統模型，具體方法是：考慮一個非線性間歇過程，該過程實際上可以分為一系列分段仿射運算區域：