雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制算法設(shè)計(jì)與理論分析.pdf

1、模型預(yù)測(cè)控制是一類基于模型的計(jì)算機(jī)控制算法的總稱,在工業(yè)應(yīng)用中多以雙層結(jié)構(gòu)出現(xiàn),即雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制,上層為穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算層或穩(wěn)態(tài)優(yōu)化層,下層為動(dòng)態(tài)控制層。雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制相比傳統(tǒng)預(yù)測(cè)控制能更大程度挖掘出過程潛在經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)保證系統(tǒng)更加平穩(wěn)、安全運(yùn)行;然而雙層結(jié)構(gòu)的引入也給預(yù)測(cè)控制帶來新的難題:首先,對(duì)于穩(wěn)態(tài)過程的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算層,穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算作為一門優(yōu)化技術(shù),其可行性判定與優(yōu)化不可行處理方法是首要考慮的問題;其次,對(duì)于積分過程,雙層結(jié)構(gòu)預(yù)

2、測(cè)控制處理一階積分對(duì)象所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)模型不存在問題使得對(duì)這類對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化極為困難;再次,積分對(duì)象涉及過程安全性問題,對(duì)積分優(yōu)化問題可行性的不合理處理將給過程帶來安全隱患;最后,傳統(tǒng)預(yù)測(cè)控制處理非方系統(tǒng)時(shí)存在解的相容性與唯一性問題,盡管引入穩(wěn)態(tài)優(yōu)化后的雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制后能有效解決解的相容性問題,但是解的唯一性無法得到保障。
　　 針對(duì)上述問題,本文采用優(yōu)先級(jí)方法處理穩(wěn)態(tài)過程以及積分過程優(yōu)化不可行問題,同時(shí)利用積分過程穩(wěn)態(tài)點(diǎn)模型并引入

3、積分穩(wěn)定性條件有效地解決了積分過程穩(wěn)態(tài)優(yōu)化難題,最后從多變量控制系統(tǒng)控制輸入與被控輸出之間的因果關(guān)系入手,闡述了控制輸入與被控輸出穩(wěn)態(tài)值的關(guān)系特征,找出非方系統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制解決方案。完成的主要工作和取得的成果如下:
　　 1.利用優(yōu)化問題的Karush-Kuhn-Tucker(KKT)條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)復(fù)雜度分析,由此得出了制約算法求解的主導(dǎo)因素為系統(tǒng)操作變量數(shù)以及控制器控制時(shí)域,且算法的時(shí)間復(fù)雜度與操作變量數(shù)

4、和控制時(shí)域乘積的三次方成正比。將標(biāo)準(zhǔn)的二次規(guī)劃算法應(yīng)用于三個(gè)工業(yè)經(jīng)典案例,仿真驗(yàn)證了上述結(jié)論。
　　 2.預(yù)測(cè)控制的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算問題本質(zhì)上屬于一種局部的線性優(yōu)化過程,因而可行性是首要解決的問題。本文使用兩階段方法來求解穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算問題,即首先獲得穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算的可行域,而后在可行域內(nèi)進(jìn)行尋優(yōu)。在可行性階段,本文提出了加權(quán)和優(yōu)先級(jí)兩種策略來進(jìn)行可行性判定與軟約束調(diào)整以確保可行域的存在,其中優(yōu)先級(jí)策略又進(jìn)一步劃分為升序和降序兩種方案。

5、研究表明,優(yōu)先級(jí)策略更具工程實(shí)用價(jià)值。
　　 3.針對(duì)雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制處理一階積分過程時(shí)無法形成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模型的問題,提出了“臨界穩(wěn)態(tài)”的概念,給出了“臨界穩(wěn)態(tài)”狀況下的“點(diǎn)”模型,以及“臨界穩(wěn)態(tài)”的成立條件(穩(wěn)定性條件),由此建立了積分過程的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,有效地解決了積分過程的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化問題。仿真中,將所提出的積分型雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制算法應(yīng)用在一個(gè)多變量積分過程上。該優(yōu)化控制系統(tǒng)一方面可以計(jì)算出系統(tǒng)的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)輸出目標(biāo),另一方面實(shí)

6、現(xiàn)了對(duì)該目標(biāo)的快速跟蹤控制。
　　 4.多變量控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)形態(tài)上可以劃分為三種類型:方系統(tǒng)、胖系統(tǒng)和瘦系統(tǒng)。從控制輸入與被控輸出穩(wěn)態(tài)關(guān)系的因果性入手,將預(yù)測(cè)控制面對(duì)瘦系統(tǒng)可能出現(xiàn)的輸出靜差以及面對(duì)胖系統(tǒng)可能出現(xiàn)的控制輸入穩(wěn)態(tài)值不確定性分別歸結(jié)為非齊次線性方程組的相容性與唯一性問題。通過非齊次方程組解的判定定理分析了多變量預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)解出現(xiàn)相容性和唯一性問題的原因,并由此給出了基于雙層結(jié)構(gòu)控制策略的解決方案。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本