專利名稱：應(yīng)用逆向差分抑制不可測擾動的模型預(yù)測控制器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模型預(yù)測控制器，具體的是一種應(yīng)用逆向差分抑制不可測擾動的 模型預(yù)測控制器。
背景技術(shù)：
模型預(yù)測控制是1970年左右提出的新型控制理論，經(jīng)過四十余年的發(fā)展，其對應(yīng) 的理論和應(yīng)用軟件已經(jīng)比較成熟，在工程實(shí)踐領(lǐng)域也有著非常廣泛的應(yīng)用。
模型預(yù)測控制是一種基于預(yù)測模型的閉環(huán)優(yōu)化控制策略。模型預(yù)測控制的基本出 發(fā)點(diǎn)與傳統(tǒng)控制(如PID控制)不同。傳統(tǒng)的控制，是根據(jù)過程當(dāng)前的和過去的輸出測量值 和設(shè)定值的偏差來確定當(dāng)前的控制輸入。而預(yù)測控制不但利用當(dāng)前的和過去的偏差值，而 且還利用預(yù)測模型來預(yù)估過程未來的偏差值，以滾動優(yōu)化確定當(dāng)前的最優(yōu)輸入策略。因此， 從基本思想看，預(yù)測控制優(yōu)于傳統(tǒng)控制。
模型預(yù)測控制一般有三個基本特征，即預(yù)測控制、反饋校正和滾動優(yōu)化。

圖1是模 型預(yù)測控制過程的結(jié)構(gòu)圖。
預(yù)測控制需要一個描述系統(tǒng)動態(tài)行為的模型，稱為預(yù)測模型，它應(yīng)具有預(yù)測功能， 即能夠根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)時刻的控制輸入以及過程的歷史信息，預(yù)測過程輸出的未來值。預(yù)測模 型通常采用在實(shí)際工業(yè)過程中較易獲得的脈沖響應(yīng)模型或階躍響應(yīng)模型。
在預(yù)測控制中，采用預(yù)測模型進(jìn)行過程輸出值的預(yù)估只是一種理想的方式，對于 實(shí)際過程，存在各種各樣的不確定因素，使基于模型的預(yù)測不可能準(zhǔn)確地與實(shí)際相符。因 此，在預(yù)測控制中，通過輸出的測量值與模型的預(yù)估值進(jìn)行比較，得出模型的預(yù)測誤差，再 利用模型預(yù)測誤差來修正模型預(yù)測控制器的輸出結(jié)果。這種模型加反饋校正的過程，使預(yù) 測控制具有很強(qiáng)的抗干擾和克服系統(tǒng)不確定的能力。
預(yù)測控制是一種優(yōu)化控制算法。但是，優(yōu)化過程不是一次離線完成的，而是反復(fù)在 線進(jìn)行的。即在每一采樣時刻，優(yōu)化性能指標(biāo)只涉及從該時刻到未來有限的時間內(nèi)，而到下 一個采樣時刻，這一優(yōu)化時段會同時向前推進(jìn)，這就是滾動優(yōu)化的概念。這種在線反復(fù)進(jìn)行 的優(yōu)化算法，能有效克服和校正過程中的各種不確定性，使控制保持實(shí)際上的最優(yōu)。
真實(shí)的工業(yè)過程實(shí)際上是灰色的，即過程的一部分是確定的，可以用模型關(guān)系來 描述；過程的另一部分是不確定的。在確定的部分，預(yù)測控制保證了控制器有良好的控制效 果；在不確定的部分，反饋校正和滾動優(yōu)化保證了控制器有良好的適應(yīng)性。如果只有預(yù)測控 制，則控制器無法在不確定部分工作；如果只有反饋校正和滾動優(yōu)化，則控制器也沒有良好 的控制效果。這三個特征是不可或缺的一個整體。
模型預(yù)測控制在工業(yè)過程上的實(shí)際應(yīng)用，稱之為模型預(yù)測控制器。一個典型 的模型預(yù)測控制器，需要根據(jù)工業(yè)過程的工藝原理和控制需求，定義一個或者多個被控 變量(controlled variable, CV)、操縱變量(manipulated variable, MV)和干擾變量 (disturbance variable, DV)。
被控變量是指被控制在某個范圍內(nèi)或者目標(biāo)值附近以改善工藝操作及產(chǎn)品質(zhì)量性能的物理量。操縱變量是指受控于控制器，用于調(diào)節(jié)被控變量大小的物理量。干擾變量是其本身不可被控制器調(diào)節(jié)，但其變化會對被控變量造成影響的物理量。干擾變量根據(jù)其可測量與否，分為可測干擾變量和不可測干擾變量。
加熱爐是一個簡單的例子。加熱爐出口溫度是控制的目標(biāo)，為被控變量(CV);天然氣流量被用來調(diào)節(jié)加熱爐出口溫度，為操縱變量(MV);水流量可測量但不可調(diào)節(jié)，其波動會對加熱爐出口溫度造成影響，為可測干擾變量(DV);而天然氣熱值是不可測量的，但其波動也會對加熱爐出口溫度造成影響，為不可測干擾變量(DV)。
對可測干擾變量而言，控制器會預(yù)測到可測干擾變量的變化對被控變量的未來變化趨勢的影響，從而進(jìn)行預(yù)先調(diào)節(jié)操縱變量來補(bǔ)償，調(diào)節(jié)的效果非常好。而對于不可測干擾變量，控制器無法預(yù)測未來的變化，只能依靠反饋控制來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)是滯后的，調(diào)節(jié)效果自然就較差。
如前所述的加熱爐的例子，如果天然氣熱值不穩(wěn)而頻繁波動，就可視為不可測干擾的波動占主導(dǎo)的過程。對不可測干擾變量波動占主導(dǎo)的過程，控制器只是依靠反饋來進(jìn)行調(diào)節(jié)，模型預(yù)測控制很難達(dá)到良好的控制效果。此類過程是模型預(yù)測控制技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)之一 O不可測干擾變量波動占主導(dǎo)地位的典型過程包括各類化學(xué)反應(yīng)器，使用煤、生物燃料等熱值不穩(wěn)定的燃料的各類加熱爐、鍋爐和窯。發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用逆向差分模塊抑制不可測擾動的模型預(yù)測控制器，所述逆向差分值的采用如下公式計算
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用逆向差分模塊抑制不可測擾動的模型預(yù)測控制器，其特征在于所述逆向差分值的采用如下公式計算▽/0) = /0)-/(X-W)其中/0)為原始信號，/7為計算步長，聊、為逆向差分值。
2.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用逆向差分模塊抑制不可測擾動的模型預(yù)測控制器，其特征在于所述原始信號/00為控制器的被控變量，或者被控變量的相關(guān)變量。
3.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用逆向差分模塊抑制不可測擾動的模型預(yù)測控制器，其特征在于在常規(guī)控制系統(tǒng)中，所述逆向差分模塊通過I/o接口與模型預(yù)測控制器進(jìn)行連接。
4.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用逆向差分模塊抑制不可測擾動的模型預(yù)測控制器，其特征在于所述逆向差分模塊作為使用了模型預(yù)測控制模型的系統(tǒng)的在線平臺部分的新增模塊，或者作為工藝計算模塊中的一部分。
5.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用逆向差分模塊抑制不可測擾動的模型預(yù)測控制器，其特征在于所述逆向差分模塊通過逆向差分值的在線計算、逆向差分預(yù)測模型定義、與預(yù)測控制器的連接來實(shí)施。
6.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用逆向差分模塊抑制不可測擾動的模型預(yù)測控制器，其特征在于所述逆向差分預(yù)測模型定義為一階階躍響應(yīng)模型，其模型參數(shù)如下增益為O. 5到2 之間的某個數(shù)值，死時間為零，時間常數(shù)為I到5倍控制器運(yùn)行周期中的某個數(shù)值。
7.一種應(yīng)用逆向差分模塊抑制不可測擾動的模型預(yù)測控制方法，用于將逆向差分值應(yīng)用到模型預(yù)測控制模型中以抑制不可測擾動，其特征在于所述逆向差分模塊通過逆向差分值的在線計算，逆向差分預(yù)測模型的定義，與模型預(yù)測控制器的連接來實(shí)施。
8.如權(quán)利要求7所述的應(yīng)用逆向差分模塊抑制不可測擾動的模型預(yù)測控制方法，其特征在于所述逆向差分值通過如下公式計算WW = /<>)-/(>- )其中/00為原始信號，/7為計算步長，W)為逆向差分值。
9.如權(quán)利要求8所述的應(yīng)用逆向差分模塊抑制不可測擾動的模型預(yù)測控制方法，其特征在于所述原始信號/(幻為控制器的被控變量，或者被控變量的相關(guān)變量。
10.如權(quán)利要求7所述的應(yīng)用逆向差分模塊抑制不可測擾動的模型預(yù)測控制方法，其特征在于所述逆向差分預(yù)測模型定義為一階階躍響應(yīng)模型，其模型參數(shù)如下增益為O. 5 到2之間的某個數(shù)值，死時間為零，時間常數(shù)為I到5倍控制器運(yùn)行周期中的某個數(shù)值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用逆向差分模塊抑制不可測擾動的模型預(yù)測控制器，在常規(guī)控制系統(tǒng)中，所述逆向差分模塊通過I/O接口與模型預(yù)測控制器進(jìn)行連接，所述逆向差分模塊作為使用了模型預(yù)測控制模型的系統(tǒng)的在線平臺部分的新增模塊，或者作為工藝計算模塊中的一部分。本發(fā)明還公開了一種應(yīng)用逆向差分模塊抑制不可測擾動的模型預(yù)測控制方法。本發(fā)明的應(yīng)用逆向差分模塊抑制不可測擾動的模型預(yù)測控制器對現(xiàn)有的模型預(yù)測控制技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，適用于不可測干擾變量波動占主導(dǎo)地位的工業(yè)過程。
文檔編號G05B13/00GK103064284SQ201210582480
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者袁亦兵 申請人:浙江邦業(yè)科技有限公司