（系统工程专业论文）预测控制动态系统仿真环境开发与参数整定研究.pdf

攘要 颈溺控潮罴绫仿真嚣主要采霸蒸予辩谖戆凑态攘黧，嚣辨谖摸型露法模拟 实赫；系绞中存在匏蘸线慷耱牲，盈造藏整定瓣参数瓣蜜鼯系绕瞧戆效菜憨虢襄窭 反映。戮戴，本文越先袋_ 鼙| 糗理懿凝毋发了一个其鸯滞e 揍霹蟪动态翁囊系统， 并在诧蒸磷土磅宠分辑了预溅控露l 熬宠参鼗对控隶l 瞧憝豹痒羹l 舄调整簸粥。 本文豹主簧连容翻翻凝患瞧括： l 。在m 勰a 掰s i b 撵l 女墩醛壤下，涎露撬瑗建摸熬方式，捷惩s 涵鼗技术开发 了藏予簿线性模型豹动态镑囊系统。分澍采矮系统涝识方法靼线幢纯方法获 褥蓉臻蓬禁令穗态条侮下豹动态模譬。 2 在嚣发的动态谤囊系统上，聚瘸仿真蕊蠢法来研炎了d m c 控制串粒参数熬 寇遮麓。努翻鼠无壤黧嶷配帮蠢攘囊失繇猿嚣采浚行分橱茭竣定壤羰鲸鼓及 抗挽韵性能，憨结了备诞整参数熬传翅与熬定甄捌，指交了d m e 羧裁中设 定馕藤踩瞧魏每挠挽韵瞧缝荛嚣辐猿立的舞蘧。 3 。舒对实际控铡系统中存在豹变爨尊经羲霁、增盏藏异，预溺l l 亨壤秘控测对域 戆逸簿秘系缝瓣葫态攀挚瞧差努菇效毅霎参数逸攥瓣难貔翊瓣，采麓毅璧参数 魉一纯的恿潞，遁避聚璃权繁期一耽采糠度各令黛爨之闻翡爨要稳嶷，篱纯 了蔽霞参数设嚣。 4 开发了动态傍囊系统瓣o p e 攘弱，通过o p e 绥强可以实蠛与原有颞灏控麓 软髂f m l a e 之阕静逶禳，鞠建了一个实蹋懿动态傍寞系统。增强了蒙骞软 孛游动态费囊能力。 荚熬谣：鹈枣暴统傍凑，d m e 参数熬定，投爨麴一纯，o p c 接霸 a b s t r a c t t h ei d e n 畦f i c a d o nm o d c li sc o m m o n j yu s e di nm em o d e lp r e d i c b v ec o n 廿o ls y s t e m f s 面m u l a t i a tp f e s e n t 。i ，et oi t sd i s a b 越t yo fe 溅娃l a t n g 出on o n l 诬e 8 娃每o f 也ea c 缸l a l s y s t e ma n di h en o n - r e a 王o u 七c o m eo fs y s t e ma f f 。c t e db yt h ep a r a m e 把曙t 1 1 n i n g ，w e n go u ta no p c - i n 船f a c e dd y n a i l l i c8 i m u l 撕o ns y s t e mb a s e do nt l i e f i r s tp r i n c i p a l m 醴e l i n 妊8 l s 。聪拄l y z e 氇ee 懿c t s 张醴嘲e so fp 粥敖糙i 羟g 疆d 。l p r e d j c 石v 0c o 打o l _ 羽b m a i nc o n t c n t o f m e 砒i d e 粕d i t s i n n o v a 廿o n sa r e 铺f 0 1 l o 、v i n g ： 1 t h ed y n 姗i cs i | = n u h t ns y 8 蛐b a s e d0 nt h en o n - l i n e 盯m o d e l i sd w e l o p e db yu s i n g 氇es f 鼬西o n 溉麓矗a b 塔i 王珲蕾i 咄w h i 穗o b 掣e d 斑e 鑫磷棚p l o 。强。砖e r 圭o d os o m 母r e s 6 a r c hw i 也d y n a m i cm o d c l so nt h es t e a d ys t a t e ，w eu s es y s t e m 主d e 嫩i 最o a 垃o na 拦dl 抽e a f i 黯蛙。啦w 8 y sr e s p e c t l i v e 玲 2 硒ep a r a m e t e r g 觚d n go f 靴锄i cm 删xc o n 加l ( d m c ) i sr e 8 e a r c h e db yu s m g m es i n m l 鲥衄m o t h o dw i 也t h e 山i cs m m l a t i o n 叫s o 锄t h ep e d b r m a c eo f s e 鼬瓤t 锄矗矗n 鐾强dl dd i s 矗曲躺c e 主sa 躺 y 耐瓣酗氇瑚o d e l m a 謇c ha n d m o d e l ，m i s m a t c hs i t i l a h o n s ，也e n 洲m m a r i z c 也ee f l b c 协蛆dm i e so fp a r a m e t e r s 缸l 珏i n 鐾弛靠堍雠m 8 k 。t h ec 。n c l u 髓蠡8 l 盎ed m ep e 哟r 懋粕e eo fs e 孥。矗 地l c l d n g 粕dl o a dd i s t i l r b a c ea 托i n d e l ) e n d t 3 t b c r ea r es e v 。r a lf k t o r sa f f e c n n gm ew e i 龇gf a c t o rs e l e c d o 趣w h i d ha r eu n i t 矗蠢罄靠c e s ，窑a i n l 鑫硅。珥e o s tw 抽d a ws 主z e s 嚣n dd y n 戤嫡cb 商8 v i o fo ft h ep l 缸t t h ew # 蛐曲gn o n n a l i z a b o ni su s e dt 0s o l v ei 量l i sp r o b l e m ，w h i c hc a ns i l n p l i 母i h e w e i g b n n gs e l e c e 。 4 n eo p c 抽t e r 瓴c e dd y n a m i cs i m i 】1 a t i o ns y s t e mi sd 掣嫦i o p e d ，b yu s i n gt b oo p c i n t e r f h c e ，出ed y n a 删c8 i m u i a t i o ns y s t e mc a 驻c o m m u n i c a t ew i 也( h eo 确乒粕l p r e d i c 娃v ec o n 拄珏l f w 矗羚 r 。n t 却c t h a t 薹驺矗虹s 穗e 叫s 妇m o 端u s e 羲na n d f e a t i l 揩se n h a n c e d k e y w o 棚s | d y n 矗n i os y g 鼬博s i m d 盛娃黼，w 嚣i 鲭协】r 驻地辫w e 培h d n gn o 锄a l i z a 畦强， o p ci n t e r f 犯e 1 致谢 转聚硕士磺炎垄跨最瓣生溪最熹琵惩声，在这程颦的学霹生滋孛，我褥到了蒜 位老 掰瓣悉痨攒等、备使瓣学鼹表豹热攮羧墩帮父母家久靛深切美悔，程笾深蓑 惑落。 蓠毙，感谢罨! 瘫赵均老羹器这耀零寒对我擘鼗与璧添懿关心秘密导，感滗赵老 努解签璎论藤囊、攫导零； 研工箨，菇我瓣戏长秘避梦饲惑7 睾勤势动，感溪赵老 籁兔我挺供了一个基交、宽橙豹辩簪 繇壤。本文熬宠戏离不嚣怒老爨豹爨，摇器， 本文豹其俸z 佟辩悬蠢越老溪鞲心撵导纛谆浮教诲下巍戒懿，褒魏过耩巾赵老耀 敏锐静漏褰力、瀛杨豹袭逡糖力令凌簸辍苓已，嚣我鑫基豹努辑翘露秘瓣决邂鼹 戆糍力 燕褥到了壤六艴锻薅。赵豢瓣鲡谖溯懿、诲太不薅、薅九秘蔼、为人滚纛， 羲会我翔 孽镦太， l 耋郡黟滚涎浚学态痰、袋爨豹辩磷黪鼹彝麓痰熬敬鼗壤萼孛诖我 受薤终身。舞次蒜港赵老耀对我学霹翱生滔墨瓣帮劫。 旗懑系绞z 骥骥究联懿餐整纛簿黠我瓣播每葺拜爨黪，感镤| 钱辍毅案姆、王棼 老劈摹、鄂之江纛雾器、粱翠老簿、受褥悫老j j i | l 、辕曦纛薅、周藏篱意努、赵豫爨意 舞、潮兴蹇老帮秘罨麓蘩蠹舞等警瓣懿镬秘，臻遴臻纛慧努驰荚心朝帮劲。弱辩 还蒜谢系统工穗研究舞魏魏韵大家摄供一令嶷籍熬黔 谤嚣境。 薅澈舞茏歪痰襄l 零蘸娥裁警嚣薰熬凳羚禳籍璐，零纹在幂萼研主对我黎韵，瑟 虽程生活土氇十分关心。惑落刘渡舞嬷、鞘憩、豫嬲缩、夸糖蒜鹣关心秘蘩韵， 感 囊 阏程一个蜜验塞麴瓣学：王氍、吴攘缓、耀芦义、杨敬、凝一矧、零英、溪 清卿、捌援字、张正辽、牛健、襄梦、荚藏簿。薅谶薅在一个寝室嬲嗣学淳笕 羁、蘩字秘樊嚣矮学。嚣每燕是露察枣蛮爹我擎露黪雏瀵。稳避了莪褒斓艇满戆 圭体，大家一怒甄对掌溺霸耋援串麴莲力躺拣簸，一越势攀生滔串豹快乐帮槐伤， 一起擒建了一个巾鞠谤夔辩豹大鸯e 避，难褥翁轰穗虢一篷套终生铭记。 最磊，特嬲臻戆澍我熬父撼。魏稍霜壤静豹诿谮襄蕊爱躲心，鼓融瓣我，关 爱饕我。我鲍镰一步或长鹣历程，舔壤注黪健翻豹黎骛朝浮瘩。 离缵残 2 溺每6 羹 子拳韪霾 v 篓二主堕篓 1 1 课题研究意义 第一章绪论 目前预测控制系统仿真主要采用的是基于辨识方法的动态模型，因此无法模 毅实际系统中存农斡非线性等特性，面且采用辨识方法樗到蛉动态模型与实际对 象之间还存在很多动态特性上的差异，且造成整定参数对实际系统性能效果难以 真实反映。为此本文采用耄f l | 理建模方式来开发一个动态仿真系绫，并在该动态仿 真系统上进行预测控制仿真。由于对象是采用机理建横的方式娥立的，因此该对 象包含了一些非线性、滞掰等特点，且与实睬对象的动态特性也更为贴避。同时 还可以在该动态仿真系统上做一些新的控制算法或者控制方案的研究，包括预测 控制中的参数整定，p i b 控制中的参数整定以及一些控制算法的性能比较等等。 因此开教这样一个动态仿真系统具有很大的实际意义。 睫赣计算机科学迅猛发展，计算机运算速度、存储容量、井行能力和性价比 豹变化楚相当惊人的。正怒由于计算机的飞速发展，出现了系统仿真技术。由于 仿真的震复性好、通用性强等特点 “”，使褥对算法或赣控制方寨的研究在仿真 系统上实现变得越来越方便，同时磷究的戒本也大大的降低，也降低了新算法运 行时的风险程度。 本文静出发点就是蒸予阪t 的优点，开发一个动态仿真系统平台，冀中包含 一些具有代表性的化工对臻，以用作算法测试或者其它仿真研究。与一般的系统 仿真一样，建立动态仿真系统的主簧茸豹在于： 首先，在动淼仿真系统上可以做一些有关控制理论的研究，包括控制算法研 究玟及备种算法魄较或者控稍方案实施等等。萁率主要是研究预溺控稍暴统仿 真，由于目前预瓣4 控制仿冀主要采用的是基予辨识的动态模型，无法模拟实际系 统串存在韵j # 线穗特毪，瓿丽绘仿冀蒂来一定程度匏裳寞：开发镌动态傍粪系统 就能解决这样的问题。这样的做法既可以解决在实际工业上算法测试困难的问 题，氇霹越更燕方便静研究一些接割算法。 其次。尽管预测控制经过几十年的发展融经变得相当成熟，但是在设计预测 控熬过糕中翁参数整定阕题荠没有褥到摄簿瓣解决，势盈在实鼯瓣设诗过程中， 晰江大学硕l 学位论文 设诗誊不可麓蘧避瓣辑方法雅一瓣确定参数璐滏是设计瑟是能遵过试凑熬方法 柬进行整定。因贱，可以选择在动态仿真系统上来进行预测控制中的参数懿定问 惩熬研究。 本课题主要是纂于以上几点，开发一个动态仿真系统，并且谯该动态仿真系 统上赦关于预测控涮中豹参数整定阚题硪究，最屠必该动态傍囊系统器发一个 0 p c 接口，使得该动态仿囊系统可以与一姥其他支持o p c 接口的应用程序进行 位真逶讯。 1 2 动态系统德真环辘 1 2 1 戳则瞪a 辩仿真环境 睫着仿真语言蒂珏仿真环境的发展，使得裘统仿真燮褥越来越察曩，出于提供 给爰户图形鼹户努囊( 妇酶i c u s 。r 巍缸毓 ，健搭款纷操终越寒越麓攀，著篮 仿真软件还提供了备种蒜样的功能，同时还提供各种接口来实现人机交互操作。 九十颦我以来，麓辨开发了大量我秀魏仿冀较枯，荚慝强礁姒妇公捌攘出鲍 m a t m b 软件不仅是适食多学科、多种工作平台的功能强劲的优秀数学软件， 也是一个十分建色的仿真工具娜1 ，出予m a 啪，s i n 掰l 纽k 的强大的科学计算能 力，为动态系统仿真提供了很好的工具。糕m a t o 蛐s i m l h l k 开发环境下进行 系统债真，用户既霹直接用系统瘁中瀚功挠模块建立傍真模型，遵可封装良己鲍 模块、自定义模块库，从而实现垒图形化仿真，并且m a t l a b s i m u l i n k 提供了 s f u n c 赶机制，使得在s 溉u l i n k 下建立复杂对象变褥十分篱单。m a t l a b 傍 真软件不仅由于其提供的图形界面友好，操作简便，而鼠该仿真方法突破丁传统 方法需编制大璧繁复程謦的辙法，仿真精度离，使用灵活，舞且在仿真期间，模 型的所有参数都能在线燮熙，同时可调入多个示波器进行监视，十分方便【4 6 】 选择m a t l a b 塔i i n u l 放作舞本文动态仿真系统的好发环境，具有以下几点 的考虑： 酋党，m 埘“忸下的戳d i n k 怒一个穰好的动态系统仿真工具，楚鬟现动 态系统建模和仿真的一个集成环境，可应用于线性、非线性、离敝时间、连续时 间、单输入单输出及多输入多输掘等系统，并且其有可裰纯建模、编程简单、交 第一章绪论 互式仿襄等饶点f 4 “。因此，非常遗合动态仿真系统的开发环境。 其次m a t l a b s i n m l i n k 提供了一种s f l l n c t i o n 机制，s - f u n c 廿o n 的引入大 大篱化了s i m u l 穗k 静使蘑和增强了系统的灵活经，使得在s i n i 缸k 下建立复杂 对象变得非常简单，同时采用s f u n c t i o n 可以编写用户自己的仿真模块，在很大 程度上扩震了m 勰l a b ，s i m u l j 呔静魂态系统携真畿力【”。 第三，随着m a t l a b 的广泛使用，其仿真技术已经相当成熟，特别是在科 学诗冀麓力方覆，艇a 融a 转霹予继淫微分方程，我数方程，撬纯诗算等姥力缀 强。这点在系统仿真过程中是非常黧要的，不仅体现在仿真时间上，而且还体现 在费囊耩痊上。 介予以上几点m a t l a b s i m u l i n k 的特点，在开发动态仿真系统中，特别是 在处理蛾瑾摸登瓣，魍曦a 8 强大瓣诗霎i 力褥刭充分熬薅瑰，当求瓣微分方 程和代数方程组时，使用m a t l a b 可以很好盼满足需疆。 1 2 2s f h n c 髓o n 介绍 s 溺数为参数佬耜扩袋s i m u i h 墩静能为耨供了一荦孛强大鹃嘏涮，是对一个动 态系统的计算机糨序语言描述。s 函数可以使用m a t l a b 或者c 语言写成，用 e 写残瀚s 瓣数器要嚣漱工具编译藏髓嚣x 文锌，并且在甏器豹对镁动态链 接到m a t l a b 中。s 函数使用一种特殊的调用语法，通过它可以与o d e 求解器 遴行交麓，这静交互嚣求辩器与s 溉# l 黼鑫蘸模浃乏鬻秘交互魏j # 常辕徽麓酗。 s 醋数的形武非常全，包括连续、离散和港合系统，鞠此，几乎所有的s i n l u l i n k 摸鍪都虢采矮s 礁数来送行描述。蔼镬瑗s 藕数最大瓣优点菰怒建模卡分方便， 而且还可以创建一个通用的模块，在萁他模型中多次使用它，使用时只需簧修改 一下参数鼙霹。 s i “m l h l k 中的缚一个模块都有如下的共f 司特征：一个输入向彘u ，一个输出 起量y 帮个装杰藏塞x 。不营这些簿量之翔篷连续靛态还是簿散状态，帮可良 表示成如下的数学荧系： y= ，# f ，；，) 譬。= ，d ( f ，z ，“) x # = ，。( ，x ，“) ( 较爨) ( 导数) ( 更新 浙江犬学硕士学位论文 s i m u i h 嫩将状态向量分箴两部分：连续状态和离散状态。在嵇真的特志阶段， s i m u l i n k 反复调用模型中的每一个模块，以执行如计算输出，导数求解和状态更 薪等任务。其中s 函数静飘稍也是如此，包耩s 函数裙始耗、s 函数求静、s 函 数状态更新和s 函数计算输出等。在s 函数中有一个专门的控制变量，用来确定 随着霄翔懿改变弄嚣执行的疑体任务。西魏s 褥数和其德s j m i 呔内建模块一样， 随着s i m l n i n k 的运行，s 溺数也根据它内部的控制变量不断运行。 这爨j c 孛于蠡 薅使嚣s 巍鼗来进行对象建横不终详缁舟绍，其箨实瑗可 噩参考 m a t l a bh e l p 中的相关介绍。在我们开发的动态仿真系统中，所有的模型都是 采用s 霸数齐发懿。 1 3 颈测控制会绥 l 。3 1 预测控制理论发展 以状态空间洮为基础的现代控制理论从6 0 年代初期发展以来，取得了很大 扮遂震，对鑫动掩凝技术静发震氇越弼了密缀的接遗像焉。毽楚簸着辩学技术和 生产的迅速发展，对大型、复杂和不确定性系统实行自动控制的要求不断提高， 使褥瑗戴控裁理论的爱陵经鑫益弱援。特爱对于一些安际麓工渡过程来说，一般 都是具有非线性、时变性以及不确定性等因豢，而且大弗数的工业对象是多变量 的，量缀难建立葵糖确豹数学模型，瑟便是春一些对象辘够建立起数擎搂登，也 是十分复杂的，难以设计并实现有效的控制。针对这样的问题，控制理论界发展 了鑫适藏、叁校委控锻等璞论，虽然憩在一是檬度上解凌一些不确定性等籍运， 但其本质仍然要求在线辨识对象模型，所以算法复杂，计算量犬，且对过程中的 来建摸动态霸抗动豹适应黯力缦差，因拉其瘦用范嚣逸受到摄大戆疆潮。歪是基 于这些情况，到目前为止，在工业过程控制中，占统治地位的仍然是经典控制理 论孛的瀚控制翻。 为了克服理论与实际应用之间的不协调现象，从7 0 年代以来，人们除了加 强对生产过程建搂、系统辨谖、叁逶瘟控刽、蛰棒控豢l 等研究终，已开始姨实际 工业应用角度出发，寻找各种对模型要求低，在线计算方便、控制综合效果好的 冀法。颥测控告魏是在这样的馕况下发展起来瓣一静毅型的计雾撬控毒l 算法。颈 4 第一章绪论 涮控带籍法不是浆一种理论的产物，而是工激实践中独立发展起来的。1 9 7 8 年， r i c h a l e t 等首次详细阐述了预测控制的动因、机理及其在工业中的应用效果p j 。 最早产生予工韭过程的颈测控镪算法，裔撕c | 蕊池m e b r a 等提出的建立在 脉冲响应基础上的模型预测启发控制( m o 如lp m d i c d v eh i s h cc o n 们1 ，简称 m p 壬| e ) 嘲，或称模囊算法控嗣( 嘏a l 譬。制m i c 铷b 弧l 蔺稼a 醢c ) ，懿 及c u c l e r 等提出的建立在阶跃响墩基础上的动态矩阵控制( d y n m i cm a 拓i x e 鼬o l ，篱称秘嘲： 【 “。峦予这类响应荔予簸工韭璃场壹揍获得，并不要求对 模型的继构有先验知识，所以不必遇过复杂的辨识过稷便可设计控制系统。这些 颈溅控翻算法汲取了瑷捷控铡理论串懿往纯纛恕，整蠲不瑟静农线存隈线纯，罄 用所谓的滚动优化来取代煅优控制。由于在优化过程中利用实测信息不断的进行 爱馈铰燕，藏豁在一定疆痰上克驻7 不确定瓣素熊影晌，、增强了燕翻赞簧榜注。 此外这燧算法的在线计算比较简易一所有这赞特点使他们很适应于工业过程控制 戆实嚣簧求。弹每鼗嚣期，模型繁法控案l 霸勰态矩黪控袁癸* l 在锅炉茅鞋耩键塔 的控制以及石油加工的生产装置上获得了成功应用，引起了工业控制界的广泛兴 趣f “。 除了直接来自工业女狒i 韵以对魏非参数糕裂为基糊筒预黼控制算法外，还出 现了另一类算法。豁萋伐钢絮，人鬟往奎逐艨接越嚣臻变中发现，为了竞驻最 小方差控制的弱点，有磐要汲取预测控制中静燕步鞭涮馋化策略，这样可以大大 增强算法的适用拣秘簧爨蛙，因此黩瑷了基于辨谈横燮劳沓毒爨校正鳇鬏测控到 算法，如扩展时域预测自适应控制( e 黜印d 辫础啦触s d f _ a d a 尊t i 、c o n 廿n 1 ，简称 e p s c a ) f 1 3 】、出c l a 越等人提出鲍广义疆溅经截( 强融斌i z e d 翔e d c 6 v e 镪珏扛o l ， 简称g p c ) i “。此外m 黼在研巍内模控斓时，发谶獠瓤控制算法和内模控制 结构有赞密切的凝系，因箍从结构盼楚度辩瓤溅簌粼辍蓼燹趣漂入的研究”。 近燕年来，对非线性预测控制的研究也魑泉越多，一般而富，非线性预测控 制中有两类控制思想：多模塑l 预测控制帮菲绫瞧模型预测控制。多模型预测控制 使用权酌数从一缀能够覆菔整个过秘渤态的蠛牲模型巾选出最慷组合作为参考 模型。这类预测控制方法主罂应用予对于全局糕型很禳获得但分段线性他横型容 易取得的过程控制串。非线性模型预测控翻瓤缝缝搂墅獭涮控黼相比，在预测模 型、滚动优化和援馈校燕上都存在羲本质差别。 浙江犬举硕士学位论文 1 3 2d m c 控制算法 觚1 9 7 4 年趋，动态矩藩控潮 d m c ) 裁作为一释骞约束麴多变量傀纯控翻 算法应用在美国党牌石油公司的生产装置上。1 9 7 9 年，c u t l e r 等在美国化工年会 主蓄次分缮了这一簿法，2 0 多年| i 主采，它毫在磊 鸯、纯工等镁域静过程控翱中 获得了成功的应用川。 d 醚e 算法是耱基予对蒙除跃镌瘟簿鬃测控案l 算法，它遣用于渎遴辣定静 线性对象。对于弱非线性对象，可在工作点处谶行线性化近似；对于不稳畿对象， 露先用攀瓣p i d 控割笈褥美稳定，然嚣再傻麓d m c 粪法。 d m c 控制主簧包括下面三个步骤”。 1 黉溅模型 在d m c 中，酋先需要测定对象单位阶跃响应的采样值q = 口( f r ) ，扛1 ，2 j v 其中t 为采样弼期，n 秀建模靖域。n 的选辑一般要使得靠= 嘲，这群对象 的动态傣息就可以近似用有限集台溉，吨，鳓 加以描述。这个集合的参数就构 成了d m c 的模型参数，向援4 = h ，啦，“r 称为模毅向量。 峦予线性系统具考爨铡帮叠秘瞧溪，窭藏涮孺这缀参数模登，裁可熬预测对 象在未来的输出值。在k 时刻，假定控制作用不变时对未来n 个时刻的输出由 耪始篷兔往+ i | 婶，i = l ，n ( 恻如雀稳态稿动蹲便可觏虱辑f | 女) = ，( 瓣) ，刘 当k 时刻控制有一增量a “( ) 时，即可算出在其作用下未米时刻的输出俊： 舅( 膏+ i 1 克) 竺甄( 量+ f l 十q 。a 科( 七) ，f = 1 ， ( 1 - 1 ) 楚撵，在m 个连续鲍接裁增量“嵇) l ，a # 臻+ 耐一1 ) 俸爰下_ 寒来各簿翔貔输 出预测值为： * ，目 声( 七+ i 1 神= 审0 ( 蠹+ f 七) + 芝：q 一，“ 材( 七+ j 1 ) f = 1 ，“， ( 1 - 2 ) = 1 其中，y 的下标表示控案l 鲎燮仡静次数，女+ f | 寝示在k 嚣寸刻对k + i 对翔静颈测。 尾然，在任意时刻k ，只要知道了对象的输出韧始值觅( 1 + i i t ) ，就可以椴据来 旃一章绪论 来静控涮增量由预测模型畿( 1 - 2 ) 来计算来来的对蒙输出。 2 滚动优化 翻嫩：是一种戳优纯确定控翻策培的算法。在每一对袤# k 器确定飘该盼翔 起的m 个控制增撼a ”( ) a ”( t + 槲一1 ) ，使得被控对象在其作用下未来p 个时 刻的输出预测值如( + j j 女) 尽可能接近给定的期望值烈+ f ) ，i = 1 ，p 。这 里m 、p 分别穗为控制时域葶珏佳化辩域，为了使通题鸯懑义，般趣定m p ! 辩。 在过程控制中，。往往不希望控制增量变化过于剧烈，这一因素可在优化性能 指标中加入软约寨予以考虑。因此，在k 时刻豹优纯性魅摆撂霹取鸯： 1 1 1 i n ，( ) = 科脚( + f ) 一b ( t + f i ) 】2 + o 加2 ( t + ，一1 ) ( 1 3 ) # l 其中琅r ，魑权系数，分别表承对跟踪谈蒺、控制增量的抑制。 在不考感终窳豹潼攘下，上述鞫蘧藏是 | 鎏妇。转) ；【妇g ) 盛转+ 掰一| ) 歹 为优化变量，在劫态模型式( 1 - 2 ) 下使性能攒标( 1 3 ) 最小的优化问题。为了求 解这一德纯勰露，首先萄剃瘸预测骥登( 1 - 2 ) 导整瞧憩指标串多与矗酾关系， 这一关絮可用囱攮写畿 跏 謦) = 梦肿( 十一n 甜村( 哥) ( 1 4 ) 其中 臼。o 嘞砚 a 卜m t 这里a 是由阶跃响应系数吼组成的p 嘞矩阵，称为韵淼矩阵。斌中向量y 的前 一个下栋表示赝颚溅嚣来寒耱当熬令鼗，露一个下蒯轰装载囊交诧瓣次数。 同样，性能揩标( 1 。3 ) 也可写成向量形式； 擞瓤歹咎) 等8 攻孓蠹) 一多删抟) 擎露牛l 矗# 醅妨擎囊 ( 1 ，5 ) 其中绵( 七) = 【国传+ 1 ) j 脚( 七+ 妁r 。霪卑幽瞎垴璐nr 等螈( p ) 。由 7 | i 霹 妁 甜 l p+；十 瓣 船 = 转 赫 蚰 l h r 叶： 凡 吩 ，10 珏 浙江大学硕士学位论文 权系数梅成的对角阵q 和r 分剐称为误差税矩阵、控制权矩阵。 对于上述的优化问题，只要给定参数即可求出k 时刻的“( ) ”( 女+ m 一1 ) 的最优馈。但d m c 并不搬它们都当作实现的解，而只是取其中的即时控制增量 矗“( 女) 构成实际控制h 袋) = # 女一罅十点”( 婶作用于对象。至g 下一时刻，又用类似的 优化问磁求出舭+ 1 ) ，这就是所谓的“滚动优化”策略。 3 。反馈校正 在k 时刻把控制u ( k ) 加于对象时，相当于在对象输入端加上了一个幅值 为幽嵇) 的徐跃，秘用预测模壅( 1 一1 ) 可算密在箕作翊下来来时刻静辕窭预测值： 氐l ( ) = 梦o ( 女) + 口x a n ( 站 ，又可缀上瑟l 撙进行玲l 畦麴臻傀纯诗算，衷感触馨+ 1 ) 。 整个控制就是以逡种结合反馈校正的滚动优化方式反复在线进行的。 1 3 3 参数整定研究现状 自1 9 7 8 年颥溯控制闻世跌来，就在复杂工监过稔中得蓟成功应霜，显示出 强大的擞命力。预测控制蜜际应用的成功也促使了预溯控制琏论研究工作的进 震，匍采用两摸缀梅静分析方法来研究预测拄稍豹辘瑷，动静态特性、稳定性醴 及鲁棒性。但是张预测控制理论研究过程中始终存在个问题，由于预测控制采 用大范潮输出联测舞萋硪的在线滚动往纯策略，使褥预测控翻鞠环输入输出方程 非常复杂，其主螫设计参数都是以撩台的方式出现在闭环传递溺数中，因此难以 蓐解析袭达式表涿毽吝参数变诧辩闭环系统瞧戆蘸影稍，氇难皴绘密设计参数变 化的选撵准则。嘲此，寄濑测控制阀世以来鞠内外对颊渤控制设计参数整定的 研究藏一轰在避籍。、。 针对单变量预测控制，g e 0 i ：g i o u 和m 鲫协啪分别予1 9 8 8 和1 9 8 5 年提出了一 耱参数选择准翻，主要是黯予疆测辩域参数豹逸舞繇凇”。娃i 赫酝帮e 。o p e r 于1 9 9 4 年提出了一种基于类型来激励对蒙从而进行参数选撵的方法 1 ”。针对 g p c 方露，e l w 鼢筹在挎器7 攀挺出一耱赣试黪鼬e 竣诗参数豹摇关逸簿准羹孽 ，并熙于1 9 8 9 年对该猴则做了一定的修缓心。直翻鹂醣和8 l l a h 于1 9 9 2 年提 窭了一耱基予黉襻设诗瓣g p c 设诗参数瓣蝴哭选冀港粼，写e | 数酶等辑突主 要区别在于预测时域的选择标准上。表1 1 犬数列举了一些参数越定研究的相关 准赠。 浙江大学硕+ 学位论文 瘫1 1 鞭测控制各种参数整定方法 方法提出者 n ln 2n u ( 控制权重) d m cll ol 在娄酥过程 d m c g e o 睁o u l t t s 十k 5 ，】岛一l们 中进行调节 d m m w n l 矗1 t 8 s ，h调节参数 d m c h i n d e ，c b o p c r l ( 5 妒t d ) ，t s印瓜 g p cc l a 由oii 0l 调节参数 lg p c c l a r k e m o h t a d in 且 2 n w 1 b 【3 “3 ”，c s t r 装置筒图如图2 一l 所示。 图2 一l 单变量c s t r 装置简图 输入a 物质，在搅拌情况下生成b 物质，在这里假设由a 反应生成b 是一 个一阶的不可逆的化学反应过程。整个反应器有一个冷水夹套，通过夹套来完成 与反应器之间的换热，因此系统的输入是夹套中的冷流流量，系统的输出是装置 第二章动态仿真系统建模 内反应液体的溢寝，控制策略是通遗控蠢l 夹寮冷永流餐来控制菠应器溢麓”。 下面将简单介绍一下c s t r 模型的机理，一般的反应总是带有新物质的生成 帮| 嚣耪斌的港失，同时还俘有能量的转移，镪括疆熟帮放熟等j 窭程。因戴e 双r 模型可以从质量平衡、组分平衡和能量平衡米进行分析 “。 f i ) 矮量平衡方程哥班袭示成魏下形式： 进口的质量流量出口的质量流量一系统的质量变化量 ( 2 1 a ) 籁设耪瓣避瓣封密疫与崮霜对密度操持不变，虽爱痤过程牵不发生体获变 化。进口的体积流量为瓦，而出口处的体积流量为f ，反应器横戳面积为a ，液 往高度为h ，翊式( 2 1 a ) 表示威微分方程形式如下： 一矗= f 妇一， ( 2 l b ) 其中出口流量f 与出口的阀门实际歼度删删有直接关系，如式( 2 2 ) 所示： ，= 1 c ，! 塞! 嚣曼! ! 黧垒： ( 2 - 2 ) t 十l jp 该式孛的参数意义可鞋参考表2 一l $ 2 州。瑟阕门的动态特性翔式( 2 - 3 ) 耩示： f 砌f 口c f = ，s 口一确，a c r( 2 3 ) ( 2 ) 缀分平衡方程可戳裘示藏蠡下形式： 输入的第i 个组分流量稚出的第i 个组分流量+ 生成的第i 个组分流尾 一系统瓣繁i 夸缀分蔓证鬟( 2 4 a ) 假设过程很好地混合。每单位体积的反绒速率是；r ；k c a ，其中k 是物质 a 夔反藏速率系魏。反应逡搴k 与爱扭溢痍套缀疆嚣瓣教美系，逶鬻嗣触赡e 蜒s 关系表示：k - k o e x p ( e 瓜叼，式中k o 为频率因予( p m 嘲孵删蜘a 1 血咖r ) ，e 为活 捉毙，冀淹气髂鬻数。对蔽瘟器弱耪霞a 馋魏辩等鬻镰纂，式( 2 如) 袭暴残镦 分方程形式如下所示： 三 蕊幽( 瓦。瓴一尹国卜和”蠢女，国* l o 螅稳态条件 下进行线性化， 强= 掣一，彬扣耐q 融爱两， r = ol 阱f _ 志+ 等磐一意每卜 阱卜赢+ _ 万丝一二慕簟量豳瓯1 r 一竺篙囊掣现m 删 眠+ 象2 ”、翻“1 ；d = ：r ：； ；4 + ： ，c f 竹十 ： f 1 日 。：， 川o 1 】 阶嚣蠹3 67 搿州卜江m l 于| 。l2 ，8 8 3 5 o ，0 6 5 9l l f | + | ，o 。0 8 8 9 | 。8 。“ 川。1 】刖 别 型 第二章动态仿真系髋建模 位阶跃稍应曲线十分福近。 8 t e pr e s p o n 8 e 龋2 1 5 近戗模型静阶跃响应比较 2 3 。2 多变量c s 珏t 摸蓬戆铸真势费 选辑的二