现代控制工程-第10篇预测控制.ppt

Modern Control Engineering 第 10 章 预测控制 教材： 王万良，现代控制工程，高等教育出版社， 2011 2 ? 70 年代以来，人们从工业过程的特点出发，寻找对模型 要求不高而又能实现最佳控制的方法。预测控制最初是 由美国和法国几家公司在 70 年代先后提出的，很快就在 石油、电力和航空等工业中得到十分成功的应用。 ? 本章从实际应用角度，介绍动态矩阵控制、模型算法控 制、广义预测控制等常用的基本预测控制算法的工程设 计及其应用方法。模糊控制已经得到非常广泛的应用， 被公认为是简单而有效的控制技术。 第 10 章 预测控制 3 第 10 章 预测控制 ? 10.1 预测控制的基本原理 ? 10.2 动态矩阵控制 ? 10.3 动态矩阵控制的工程设计 ? 10.4 炼油厂加氢裂化装置的动态矩阵控制 ? 10.5 模型算法控制 ? 10.6 催化裂化分馏塔的 MAC ? 10.7 广义预测控制 4 10.1 预测控制的基本原理 预测控制（ Predictive Control ）是一类控制算法的 总称 , 其基本原理可归结为预测模型、滚动优化和反 馈校正。 预测控制采用预测模型预测系统的未来输出，实 现滚动优化控制，并不断根据系统的实际输出修正 预测的准确性。 5 10.2 动态矩阵控制 从 1974 年起，动态矩阵控制（ Dynamic Matrix Control , DMC ）就作为一种有约束的多变量优化控制 算法，首先在美国壳牌石油公司的生产装置上获得成 功的应用。 1979 年卡特勒在美国化工年会上首次介绍了这一 算法。十多年来，它已在石油、化工等部门的过程控 制中获得了许多成功的应用。 6 10.2 .1 预测模型 动态矩阵控制是一种把被控对象的单位阶跃响 应采样数据作为预测模型的预测控制算法。 设被控对象的单位阶跃响应采样数据为 ? ? N a a a , , , 2 1 ? Y k Y k A U k PM P M ( ) ( ) ( ) ? ? 0 ? 系统输出的预测模型为 7 10.2 .1 预测模型 Y k Y k A U k PM P M ( ) ( ) ( ) ? ? 0 ? 系统输出的预测模型为 A a a a a a a a a a M M P P P M P M ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 2 1 1 1 1 1 0 0 0 0 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ? ? T P k P k y k k y k Y ) , ( ... ) , 1 ( ) ( 0 0 0 ? ? ? ? ? T M M PM k P k y k k y k Y ) , ( ... ) , 1 ( ) ( ? ? ? ? ? T M k M k u k k u k U ) , 1 ( ... ) , ( ) ( ? ? ? ? ? ? A 称为动态矩阵； P 是滚动优化时域长度； M 是控制时域长度 8 10.2 .2 滚动优化 DMC 采用滚动优化目标函数，选择未来控制时域 P 内的控制增量序列，使未来优化时域 M 内的预测输 出值尽可能接近期望输出，即 min ( ) [ ( ) ( , )] ( , ) J k q w k i y k i k r u k j k i M i P i j M ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 1 2 1 1 ? J W k Y k A U k U k P Po M Q M R ? ? ? ? ( ) ( ) ( ) ( ) ? ? 由极值必要条件容易求得最优解为 ? U k F W k Y k M P P ( ) ( ( ) ( )) ? ? 0 F A QA R A Q T T ? ? ? ( ) 1 9 10.2 .2 滚动优化 实际控制时只将作用于系统： ? ? ) ( 0 ... 0 1 ) , ( ) ( k U k k u k u M ? ? ? ? ? ? ? d W k Y k T P P ( ( ) ( )) 0 ? ? Q A R QA A d T T T 1 ) ( 0 ... 0 1 ? ? ? 改进算法 u k d u k k j d j j M j j M