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模型预测控制 全面讲解

1978年,Richalet 、Mehra提出了基于脉冲响应的模型预 测启发控制(Model Predictive Heuristic Control , MPHC),后转化为模型算法控制(Model Algorithmic Control,MAC)
1979年,Cutler提出了基于阶跃响应的动态矩阵控制 (Dynamic Matrix Control,DMC)
值和给定值的偏差来确定当前的控制输入 预测控制:不仅利用当前的和过去的偏差值,
而且还利用预测模型来预测过程未来的偏差值。 以滚动优化确定当前的最优控制策略,使未来 一段时间内被控变量与期望值偏差最小 从基本思想看,预测控制优于PID控制
第二节 预测控制的基本原理
r(k)
+_
d(k)
在线优化 控制器
)
Yr
(k
)T
QYP
(k
)
Yr
(k
)
U
T 2
(k
)
RU
2
(k
)
代入YP(k)
J H1U1(k) H2U2 (k) βe(k) Yr (k)T QH1U1(k) H2U2 (k) βe(k) Yr (k)
U
T 2
(k
)
RU
2
(k
)
求解最优控制率 J 0
U2 (k)
第三节 模型算法控制(MAC) 四. 最优控制
第一节 预测控制的发展
工业过程的特点
多变量高维复杂系统难以建立精确的数学模型 工业过程的结构、参数以及环境具有不确定性、
时变性、非线性,最优控制难以实现
预测控制的产生
基于模型的控制,但对模型的要求不高 采用滚动优化策略,以局部优化取代全局最优 利用实测信息反馈校正,增强控制的鲁棒性
第一节 预测控制的发展
第一节 预测控制的发展
预测控制的特点 建模方便,对模型要求不高 滚动的优化策略,具有较好的动态控制效果 简单实用的反馈校正,有利于提高控制系统的
鲁棒性 不增加理论困难,可推广到有约束条件、大纯
滞后、非最小相位及非线性等过程 是一种计算机优化控制算法
第二节 预测控制的基本原理
模型预测控制与PID控制 PID控制:根据过程当前的和过去的输出测量
1973年,DMC应用于美国壳牌石油公司的生产 装臵上
1979年,Cutler等在美国化工学会年会上首次 介绍了DMC算法
主要内容 预测模型 反馈校正 参考轨迹 滚动优化
第四节 动态矩阵控制(DMC) 一. 预测模型
DMC的预测模型
渐近稳定线性被控对象的单位阶跃响应曲线
过去 yd
未来
y(k)
yr(k)
yP(k)
u(t)
k k+1
k+P
t/T
第三节 模型算法控制(MAC) 三. 设定值与参考轨迹
根据设定值和当前过程输出测量值确定参考轨迹 最广泛使用的参考轨迹为一阶指数变化形式
yr (k j) j y(k) (1 j ) yd j 1, 2, , P
Ts
e T
1
0 12
t/T
t/T
y u
4.6 6 5 2
3 1.6
0 12
t/T
t/T
第三节 模型算法控制(MAC) 一. 预测模型
y 7.6 8.5
6.5
4.6 6 3.8
5
3 2.3 3 2.5 1.5 0.8 0 1 2 34 5 6 u
2 1 u(0) u(1)
y(1) h1u(0) y(2) h2u(0) h1u(1) y(3) h3u(0) h2u(1) y(4) h4u(0) h3u(1) y(5) h5u(0) h4u(1)
u(k N 1) h1
u(k N 2)
h2
u(k N M )
u(k N M 1)
u(k M 2) u(k M 3) u(k P N ) hN
第三节 模型算法控制(MAC) 一. 预测模型
Ym (k) H1U1(k) H2U2 (k)
N
t/T
y(k) hiu(k i)
i 1
y(t) 0 g()u(t )d
t/T
第三节 模型算法控制(MAC) 一. 预测模型
采用脉冲响应模型对未来时刻输出进行预测
N
ym (k j) hiu(k j i) i 1
P 称为预测时域
j 1, 2, , P
取u(k + i)在i = M - 1后保持不变
u(k)
y(k) 受控过程
+ y(k+j| k)
+
模型输出 反馈校正
动态 预测模型
y(k|k)
_ +
三要素:预测模型 滚动优化 反馈校正
第二节 预测控制的基本原理 一. 预测模型(内部模型)
预测模型的功能 根据被控对象的历史信息{ u(k - j), y(k - j) |
j≥1 }和未来输入{ u(k + j - 1) | j =1, …, m} ,预测 系统未来响应{ y(k + j) | j =1, …, p} 预测模型形式 参数模型:如微分方程、差分方程 非参数模型:如脉冲响应、阶跃响应
1─k 时刻的预测输出 2─k +1时刻实际输出
t/T
3─ k +1 时刻预测误差 4─k +1时刻校正后的预测输出
第三节 模型算法控制(MAC)
模型算法控制(Model Algorithmic Control): 基于脉冲响应模型的预测控制,又称模型预测 启发式控制(MPHC)
60年代末,Richalet等人在法国工业企业中应用 于锅炉和精馏塔的控制
预测控制有关公司及产品 SetPoint : IDCOM DMC : DMC AspenTech : SetPoint Inc : SMC- IDCOM
DMC Corp : DMCplus Profimatics: PCT Honeywell : Profimatics : RMPCT Adersa(法) : HIECON Invensys : Predictive Control Ltd : Connoisseur DOT(英) : STAR
h1
h1
h2
PM 1
hi
i1
PM
第三节 模型算法控制(MAC) 二. 反馈校正
以当前过程输出测量值与模型计算值之差修正模型预测值
yP (k j) ym (k j) j y(k) ym (k)
N
ym (k) hiu(k i) i 1
对于P步预测
j 1, 2, , P
反馈校正
在每个采样时刻,都要通过实际测到的输出信息对基于 模型的预测输出进行修正,然后再进行新的优化
闭环优化
不断根据系统的实际输出对预测输出作出修正,使滚动 优化不但基于模型,而且利用反馈信息,构成闭环优化
第二节 预测控制的基本原理 三. 反馈校正(误差校正)
反馈校正示意图
2
4 3
y
1
u
k
k+1
i 1
i jM 2
控制作用可分为两步
j M , M 1, , P
U1(k) u(k N 1)
u(k N 2)
u(k
1)
T 1( N 1)
已知控制作用
U2 (k) u(k)
u(k 1)
u(k
M
1)
T 1M
未知控制作用
第三节 模型算法控制(MAC) 一. 预测模型
ym (k 1) u(k)
hN
0
H1
hN 1
hN
0
hN
h1
h2
h2
h3
H2
hM
hP1 P( N 1)
hM 1
hP
h1
hM 1
hM
hP1
U1(k) u(k N 1)
u(k N 2)
u(k
1)
T 1( N 1)
U2 (k) u(k)
u(k 1)
u(k
M
1)
T 1M
0 hPM 2
最优控制率为
U2(k)
H
T 2
QH
2
R
1
H
T 2
Q
Yr
(k)
H1U1(k )
βe(k )
Q diagq1 q2 qP R diagr1 r2 rM
现时刻k的最优控制作用
U2 (k) DT Yr (k) H1U1(k) βe(k)
DT 1
0
0 1M
H
T 2
QH
2
R
第四章
模型预测控制
内容要点
1 预测控制的发展 2 预测控制的基本原理 3 模型算法控制(MAC) 4 动态矩阵控制(DMC) 5 状态反馈预测控制(SFPC) 6 多变量协调预测控制
第一节 预测控制的发展
现代控制理论的发展与特点 特点 状态空间分析法 最优性能指标设计 应用 航天、航空等军事领域 要求 精确的数学模型
局部优化
不是采用一个不变的全局最优目标,而是采用滚动式的 有限时域优化策略。在每一采样时刻,根据该时刻的优 化性能指标,求解该时刻起有限时段的最优控制率
在线滚动
计算得到的控制作用序列也只有当前值是实际执行的, 在下一个采样时刻又重新求取最优控制率
第二节 预测控制的基本原理 二. 滚动优化(在线优化)
滚动优化示意图
k 时刻优化
yr
y
2 1
3
u
k+1 时刻优化
yr
2
1
y
3
u
k k+1
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