双层结构预测控制的结构特性分析

摘要

现代工业过程的优化与控制普遍地采用了以模型预测控制技术为核心的递阶结构，而且随着工业控制技术的发展，当前在现场应用最为广泛的预测控制软件中采用的都是双层结构。双层结构预测控制是预测控制算法研究中的一个分支，学术界对于双层结构预测控制的理论研究还落后于其在工业界的应用，目前普遍观点认为双层结构预测控制器的优势是其在降低过程方差的基础上进一步提高经济效益的能力。近年来对于预测控制的研究更多的是关于其算法的设计、算法性能的提升;对于预测控制稳态优化的理论研究主要集中在可行性分析方面。而对于“稳态优化+动态控制”这种双层结构设计中稳态层与动态层之间的作用机理的研究则非常少。 本文从过程稳态入手，对开环稳定过程与积分过程进行稳态分析，分析稳态优化层与动态控制层之间的作用机理，展示双层结构预测控制器的设计内涵，并给出双层结构模式的理论依据;同时对预测控制器的双层结构策略与区间控制策略进行性能对比，提出并证明了预测控制两种不同策略在一定条件下的一致性;还对双层结构预测控制的奇异性问题进行了研究，给出了一种离线改进策略。本文完成的主要工作以及取得的成果如下: 1.多变量预测控制器根据输入、输出个数可以从结构上划分为方系统、非方系统（包括胖系统，瘦系统）。文中通过仿真展示了非方系统控制中存在的相容性与唯一性问题，从过程的稳态入手，利用过程的稳态平衡关系，将相容性与唯一性问题变换到线性代数框架下进行分析，找到了非方系统稳态解相容性与唯一性问题存在的根源，通过将对稳态解性质的分析方法由定性转变到定量，揭示了稳态优化的理论意义、双层结构预测控制的技术设计内涵，并利用改进的双层结构预测控制解决了非方系统的相容性与唯一性问题，实现了方系统与非方系统在预测控制算法描述上的统一。 2.对积分过程预测控制算法进行稳态分析，提出一个用于判断多变量积分过程设定点是否可达的判据，作为多变量积分过程实现无静差控制的一个必要条件。同时探讨了模型失配与不可测扰动对积分过程双层结构预测控制算法的影响，利用补偿因子重新设计反馈校正环节，使改进后的算法能够实现存在模型失配过程的优化与控制。 3.模型预测控制算法可以根据对过程输出的控制要求分为设定点控制策略、区间控制两种策略，采用区间控制策略的预测控制算法相较采用设定点控制策略的预测控制在技术上具有先进性。本文从过程的稳态入手，对于预测控制的这两种策略的作用机理进行了分析，从定性、定量两个方面分析比较了这两种不同策略的异同点，提出并证明了两种预测控制策略的一致性条件，论述了双层结构预测控制算法相较于属于单层结构的区间控制算法更具有先进性。 4.多变量过程的输入输出之间的动态关系特性可能出现近奇异性的现象，文中提出并验证了模型病态性是否表现出来与输出移动方向存在相关性的观点，利用几何工具与SVD分析了模型病态对控制产生影响的本质原因。给出了一种离线的模型修正策略，该策略与现存的在线策略配合使用可以很好地解决模型病态问题。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及研究意义

1．2 模型预测控制研究现状

1．2．1 预测控制机理

1．2．2 双层结构的预测控制算法研究

1．2．3 积分过程预测控制

1．2．4 预测控制的区间控制策略

1．2．5 预测控制的模型病态问题

1．3 本文研究内容及章节安排

第2章 模型预测控制算法

2．1 引言

2．2 无约束预测控制算法

2．3 有约束预测控制算法

第3章 模型预测控制算法稳态解的相容性与唯一性问题

3．1 引言

3．2 过程结构及仿真对象介绍

3．3 方系统与非方系统的仿真控制

3．4 仿真现象分析

3．5 多变量控制系统的双层结构预测控制

3．5．1 稳态优化

3．5．2 集成控制输入目标的多变量预测控制算法

3．5．3 模型不确定性及不可测扰动分析

3．6 仿真验证

3．6．1 胖系统

3．6．2 方系统

3．6．3 瘦系统

3．6．4 模型失配

3．6．5 不可测扰动

3．7 总结

第4章 多变量积分过程预测控制的稳态分析及反馈校正策略研究

4．1 引言

4．2 多变量积分过程预测控制系统的稳态分析

4．3 积分过程的双层结构预测控制算法

4．3．1 稳态优化

4．3．2 双层结构预测控制执行步骤

4．4 多变量积分过程双层结构预测控制的反馈校正策略

4．4．1 模型失配下的仿真分析

4．4．2 适用于积分对象的反馈校正策略

4．5 总结

第5章 从区间模型预测控制到双层结构模型预测控制

5．1 引言

5．2 模型预测控制算法的区间控制策略

5．3 稳态优化的软约束调整算法

5．4 预测控制的稳态优化策略与区间控制策略比较

5．5 仿真

5．6 总结

第6章 预测控制模型病态问题的分析与校正

6．1 引言

6．2 现象观察

6．3 现象分析

6．4 消除模型病态性的策略

6．5 总结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果