[发明专利]基于模型预测控制的集结预测控制系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业过程控制技术领域的控制系统及其控制方法，具体是一种基于模型预测控制的集结预测控制系统及其控制方法。

背景技术

模型预测控制是从上世纪70年代开始发展起来的一种先进控制方法。由于其对模型的要求低，鲁棒性能好，可以较方便地处理约束等能力，因此得到工业界的青睐，尤其是在诸如化工、炼油等过程控制对象中得到了广泛应用。但模型预测控制系统是一种采用在线滚动优化的控制器，即控制器需要在每一时刻以系统当前状态为初始状态，在线求解一个有限时域的优化问题而得到系统当前控制量。因此，控制的实时性往往成为制约模型预测控制实际应用主要因素，如何减少模型预测控制器的在线计算量是一个亟待解决的问题。预测控制的在线计算量通常主要由其优化问题的优化变量个数决定，所以为了降低预测控制器的在线计算量，提高其控制实时性，在其出现的早期，通常采用控制时域小于预测时域的方法。

经对现有技术的文献检索发现，杜晓宁等在《控制与决策》(2002年，第5期，563-566页)上发表“预测控制优化变量的集结策略”，提出对预测控制系统的优化变量采用集结策略以及分段集结和衰减集结策略。该技术令控制序列U(k)＝HV(k)，其中H∈R^Nm×sm为集结矩阵(m为对象的输入维数，s为集结块数，N为控制时域长度)，集结变量个数sm＜Nm，而预测控制优化问题的优化变量也相应变成V(k)，从而减少预测控制器的在线优化变量的个数，进而降低预测控制器的在线计算量。尽管通过集结，预测控制系统可以有效降低其在线计算量，但由于优化问题的自由度也相应减少，使得集结后系统控制质量无法保证。因此，如何在降低预测控制器的在线计算量的同时，优化集结预测控制器的控制性能，对于工业应用具有更大意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于模型预测控制的集结预测控制系统及其控制方法，在降低模型预测控制系统的在线计算量同时，保证系统的控制性能尽可能不受控制序列变换带来的影响，以达到优化控制性能的目的。

本发明采用以下方案实现：

本发明涉及集结预测控制系统包括：输入映射模块、传统预测控制模块、传感器和逆映射模块，其中：输入映射模块与传统预测控制模块相连接并将预测控制的输入控制序列进行线性映射，传统预测控制模块与控制对象相连以接接收系统对象状态值，传感器与控制对象相连且传感器的输出端与传统预测控制模块的输入端相连以传输检测信号，传统预测控制模块的输出端连接至逆映射模块，逆映射模块的输出端与控制对象相连接以输出控制策略。

本发明涉及的控制方法包括以下步骤：

第一步、采用状态方程描述化工过程连续搅拌釜式反应器(continuous stirred tank reactor，CSTR)系统，其中：状态向量x(t)为反应器内液体的浓度和温度，控制量u(t)为冷却剂的流量，和分别为系数矩阵；对状态方程进行离散化，得到离散状态方程x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)。

第二步、工控机根据采样周期，在k时刻发布采样命令，对化工过程连续搅拌釜式反应器系统的状态向量进行检测，检测的信号通过模拟量输入通道经A/D转换后，输送到工控机中。

第三步、工控机第二步检测得到的系统状态，经过输入映射模块映射处理U(k)＝H₁V(k)，将优化变量变为V(k)，其中：U(k)为k时刻的预测控制输入序列，H₁为映射系数矩阵。

所述的优化变量满足以下条件：