变结构非线性模型预估控制器制造技术

本发明专利技术涉及一种变结构非线性模型预估控制器，由在线实时组态器、非线性模型预估控制计算器、控制作用输出处理器、被控变量约束优化器、操作变量约束优化器组成，在线实时组态器自组织当前最合适的控制器结构，按照这一结构进行非线性时滞计算和基于非线性状态空间模型的在线实时预估计算，具有多预估时域在线修正、单值预估控制、状态反馈、非线性加权、多周期控制、被控变量约束优化、操作变量约束优化、控制作用实施处理等特点，形成在模型上和结构上适应被控过程的变化的多变量变结构非线性模型预估控制器和控制系统，使被控过程在各种情况下均处于优化运行状态。

Variable structure nonlinear model predictive controller

The invention relates to a variable structure nonlinear model predictive controller, a real-time online configurator, nonlinear model predictive control calculator, control output processor, controlled variable constrained optimizer, variable constrained optimizer, online real-time configuration from the controller structure the most suitable, for nonlinear time delay calculation and real-time prediction of nonlinear state space based on the model calculated according to this structure, with estimated online correction, time-domain single value predictive control, state feedback, nonlinear weighting, multi cycle control, controlled variable constrained optimization, constrained optimization, operation control process, the formation of multi variable nonlinear model predictive controller and variable structure control system to adapt to changes in the controlled process the model and structure, make the controlled process in the All cases are in optimal operation.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种对连续变化过程或设备，特别是对已有分布式控制系统(DCS)及其包含的PID控制器的连续生产过程，进行高级控制(AdvancedControl)的策略、方法和变结构非线性模型预估控制器。
技术介绍
由于PID(比例、积分、微分)控制器较为简单实用，从上世纪四十年代以来，生产过程中广泛应用它进行自动控制。随着生产和科学技术的发展，尤其是生产规模的不断扩大和市场需求的频繁变化，对时间滞后较大、多变量、有约束、变结构的生产过程，PID控制难以满足平稳控制和多变量约束协调和变结构的控制要求。二十世纪七十年代后期出现的模型预估控制(MPC)，利用被控过程动态数学模型，对被控过程未来的状态进行预估，并据以进行最优控制，对于时间滞后大的多变量过程提供了一种有效的控制方法，如MAC，DMC，GPC，SFPC，等等，也出现了相应的商品化软件，如IDCOM、DMC-Plus(Aspen Inc.)、RMPCT-PROFIT(Honeywell Inc.)、STAR(Invensys)、VSUPCC、等等，从上世纪八十年代开始，在生产过程中得到了成功的应用。在应用过程中，在处理约束和多变量协调方面得到发展和改善，使MPC得到越来越广泛的应用。实际应用暴露了MPC的一些弱点其一是抑制不可测干扰的能力较差，甚至不如PID控制。其二是难以适应生产过程的变化(非线性和变结构)。其三是为获得模型，要对生产进行较大的干扰。这是由于大多数MPC应用由实测被控过程输入输出数据建立的线性化动态数学数学模型、采用多值预估、处理多变量协调、状态和输出变量约束，使模型在线实时计算较为复杂，控制周期较长(30-60秒，而PID的控制周期为0.5-1秒)，又不能利用被控过程提供的可测状态变量信息。只有基于中国专利“99105546.2通用多变量模型预估协调控制方法”的VSUPCC软件，采用基于机理分析的状态空间模型，不需干扰生产的测试，可引入状态变量反馈，提高抑制干扰的能力，并采用单值预估策略，在保持相同控制效果下，使在线实时计算大大简化，实现了控制周期5-60秒之间的多周期控制，提高了控制效果，可更好的处理多变量协调问题。但它也与其它MPC一样，均是基于线性化模型，而实际被控过程或设备往往是非线性的，尤其在产品需求不同、原料变化、负荷变化、环境变化、等等情况下，使被控过程是变结构和非线性的，即需要和可能的被控变量数量和可应用的操作变量数量是变化的；被控过程或设备的准确描述是非线性的，基于线性化模型的MPC难以得到满意的控制效果。上世纪八十年代以来，出现了不少有关利用非线性模型进行预估控制(NLMPC)的研究性论文，提出了在线性化基础上加入非线性修正、增益规划、多模型、局部采用非线性模型计算、等等仍基于线性化模型的算法。也出现了一些基于非线性模型的算法。上世纪末和本世纪初，出现了一些非线性模型预估控制的商品化软件，如Aspen的APOLLO、PAS的NOVA-NLC、PAVILION的Pavilion、等等。由于非线性模型不能应用叠加原理，一般无解析解，控制策略采用多值预估、状态约束，加上被控过程是多变量的，使计算相当复杂，这些软件都要作一些近似处理，使应用效果受到限制，也没有明确的解决变结构问题的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是给出一种基于非线性动态数学模型、适应被控过程和设备特点的非线性模型预估控制策略和构成多变量变结构非线性模型预估控制器(简称VSNMPC)的策略和方法，不仅在模型上(非线性)适应被控过程的变化，也在结构上适应被控过程的变化，使控制系统更具有生命力，随时给出最优的控制结构和控制效果。本专利技术给出的变结构非线性模型预估控制器(VSNMPC)主要包括以下五个部分组成在线实时组态器1；非线性模型预估控制计算器2；控制作用(MV)输出处理器3；被控变量(CV)约束优化器4；操作变量(MV)约束优化器5。在实施本专利技术时，还需要与VSNMPC连接的下列配套设备工程师界面9，操作员界面8，实时数据库(RTDB)9，分布式控制系统(DCS)10，被控的过程或设备6。这些配套设备有些是被控过程或设备中已经具备的，其它可采用已有的产品。以上所列个组成部分的其连接关系见图1。在线实时组态器1的输入端连接工程师界面7，操作员界面8，实时数据库(RTDB)9，分布式控制系统(DCS)10，输出端连接非线性模型预估控制计算器2，CV约束优化器4和MV约束优化器5输入端，也连接MV输出处理器3输入端。CV约束优化器4输出端连接非线性模型预估控制计算器2输入端，非线性模型预估控制计算器2输出端连接MV输出处理器3输入端，MV约束优化器5输出端连接MV输出处理器3输入端，MV输出处理器3输出端连接DCS10，DCS 10连接被控装置6，非线性模型预估控制计算器2连接RTDB9和工程师界面7。由在线实时组态器1实时检测被控过程结构的变化，按照多变量协调规则确定当前时刻最合适的控制系统结构；由非线性模型预估控制计算器2按当前的最合适结构和相应的非线性模型计算给出当前的控制作用增量，再由控制作用输出处理器3给出对被控过程的实际调整量，实现高级控制；同时，在线实时组态器1还给出当前可进行优化的被控变量和操做变量，分别由被控变量约束优化器4、操作变量约束优化器5实施调优。本专利技术的主要技术特点和内容如下1.基于具有多重时间滞后的非线性状态空间模型X·(t)=dX(t)dt=F---(1)]]>Y(t)＝G(2)其中F，G为给定的函数向量X∈Rn(状态变量SV)Y∈Rr(被控变量CV)U∈Rm(操作变量MV)V∈Rq(可测干扰变量FV)τA，τB，τF分别为SV，MV，FV的滞后时间(是SV，MV，FV的函数)矩阵考虑状态变量、操作变量和可测干扰变量对状态变量的影响均具有时间滞后，且滞后时间是SV、MV、FV的函数，是许多被控过程和设备的实际情况，也是本专利技术的主要特点之一。2.用区域控制代替状态变量约束和多种被控变量设置除一般所指的被控变量外，被控过程的不少状态变量需保持在允许的上下限内。本专利技术将这些变量转换为区域被控变量，在预估其将超限时，对其实施控制，预估不超限时，不作为被控变量。使模型预估控制算法转化为“无约束”简化算法。本专利技术将区域被控变量分为浮动区域和固定区域两种CV，浮动区域的上下限可随其它变量浮动。本专利技术还可设置“条件被控变量”，即在一定条件下才作为被控变量，以适应被控过程多变量协调的需求，通过本专利技术提供的变结构控制策略可实现这些控制要求。3.单值预估非线性加权控制本专利技术采用以下优化目标计算当前的控制作用MinΔU(k)∈Rm:JU(k)∈RmΣi=1rET(P)WE(P)---(3)]]>其中P＝T是各被控变量的预估时域ET(P)＝是被控变量预估偏差 Ys＝CV的给定值 wi＝第i个被控变量的加权系数这一算法的特点是①对每个CV，只用其未来某一时刻(预估时域P)的一个预估值计算最优控制作用；②只计算当前时刻的控制作用的变化量ΔU(k)＝U(k)-U(k-1)，经约束处理后执行； 以上两个特点使本算法较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变结构非线性模型预估控制器，由在线实时组态器１、非线性模型预估控制计算器２、控制作用输出处理器３、被控变量（简称ＣＶ）约束优化器４、操作变量（简称ＭＶ）约束优化器５五个部分组成，实施时需连接的配套设备包括工程师界面７，操作员界面８，实时数据库（简称ＲＴＤＢ）９，分布式控制系统（简称ＤＣＳ）１０，被控的过程或设备６，其特征在于：由在线实时组态器１实时检测被控过程结构的变化，确定当前时刻最合适的控制系统结构；再由非线性模型预估控制计算器２按当前结构相应的非线性模型计算给出当前的控制作用增量，经控制作用输出处理器３实现高级控制，同时，在线实时组态器１还给出当前需要且可能进行优化的被控变量和操作变量，由被控变量约束优化器４、操作变量约束优化器５实施调优，形成多变量变结构非线性模型预估控制器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：袁璞，张贵礼，金学兰，
申请(专利权)人：袁璞，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]