[发明专利]一种基于简化扩展状态空间模型的预测函数控制方法

说明书

本发明公开了一种基于简化扩展状态空间模型的预测函数控制方法，首先基于过程对象的阶跃响应数据建立对应的对象传递函数模型，挖掘对象的过程特性，之后将传递函数模型转换为对应的简化扩展状态空间模型，然后基于该简化扩展状态空间模型设计预测函数控制器，最后将设计好的预测函数控制器实施于对象过程。本发明基于该简化的状态空间模型，在处理大时滞对象时，不仅在计算维数以及复杂度上有了很大的降低，同时也保留了原始扩展状态空间模型的调节自由度，推进了扩展状态空间模型的工程实用性。

技术领域

本发明属于工业自动化领域，涉及一种基于简化扩展状态空间模型的预测函数控制方法。

背景技术

扩展状态空间模型相比传统的传递函数模型而言，其中能包含更多的过程信息，在后续控制器的设计上也拥有更多的自由度。但是在过程模型存在较大滞后的情况下，扩展状态空间模型的维数将会变得很大，接着会导致最终计算很复杂，容易出现优化求解失败的情况，影响到在工程现场的应用。如果能对模型加以改进，让后续的控制器设计在保留更多自由度的同时也能简单化，这样将能进一步推动扩展状态空间模型预测函数控制的应用推广。

发明内容

本发明的目的是针对传统扩展状态空间模型在处理大时滞过程时存在的模型维数过大导致后续控制器计算较复杂的问题进行改进，通过引入smith预估器，最终得到一种维数简单的扩展状态空间模型，进一步实现基于该模型的预测函数控制应用。其具体技术方案如下：

一种基于简化扩展状态空间模型的预测函数控制方法，首先基于过程对象的阶跃响应数据建立对应的对象传递函数模型，挖掘对象的过程特性，之后将传递函数模型转换为对应的简化扩展状态空间模型，然后基于该简化扩展状态空间模型设计预测函数控制器，最后将设计好的预测函数控制器实施于对象过程。

进一步的，包括如下步骤：

步骤一、通过采集过程对象的阶跃响应数据建立被控对象的传递函数模型；

步骤二、将传递函数模型转换为简化状态空间模型并设计对应的预测函数控制器。

进一步的，步骤一具体如下：

(a)将被控过程的PID控制器停留在手动状态，操作拨盘使其输出有阶跃变化，通过仪表记录被控过程的实时阶跃响应输出y_p(k)，之后将其转换为无纲量形式y_p^*(k)，具体为：

y_p^*(k)＝y_p(k)/y_p(∞)

其中，y_p(∞)为阶跃响应测试过程中实际输出y_p(k)的稳态值；

(b)选取两个计算点，分别满足y_p^*(k₁)＝0.39以及y_p^*(k₂)＝0.63，然后依据下面的式子计算传递函数模型的三个参数：

K＝y_p(∞)/q

T＝2(k₂-k₁)

τ＝2k₁-k₂

其中，K为过程模型的增益，T,τ分别为过程模型的时间常数和滞后；q为PID控制器输出阶跃变化的幅度；

得到的传递函数模型为

其中，s为拉普拉斯算子。

进一步的，步骤二具体如下：