模型预测控制95432PPT课件.ppt

第七章模型预测控制算法之一 5 杨根科上海交通大学自动化系2005年9月 1 内容提要 概述动态矩阵控制动态矩阵控制的进一步讨论模型算法控制应用 2 思想 Z域设计 直接设计 时域设计现代控制理论 基于状态空间 如最优控制 极点配置等应用航空航天 理想环境 工业过程控制 基于模型预测 预测控制 石油 化工 发电等先进控制算法 3 工业过程特点 数学模型的非精确性不确定性 随机性 参数时变性material energybalancesflowdynamicsphysicalproperties oftenunknown thermodynamics多变量系统控制算法的可实施性历史 脉冲响应与阶跃响应 滚动 4 模型预测控制 动态复杂性 Figure Twoprocessesexhibitingunusualdynamicbehavior a changeinbaselevelduetoastepchangeinfeedratetoadistillationcolumn 分裂蒸馏塔 b steamtemperaturechangeduetoswitchingonsootblower 吹灰器 inaboiler 5 模型预测控制 方法 ModelPredictiveControl MPC regulatorycontrolsthatuseanexplicitdynamicmodeloftheresponseofprocessvariablestochangesinmanipulatedvariablestocalculatecontrol moves Controlmovesareintendedtoforcetheprocessvariablestofollowapre specifiedtrajectoryfromthecurrentoperatingpointtothetarget Basecontrolactiononcurrentmeasurementsandfuture 6 模型预测控制 优点 OptimalcontrollerisbasedonminimizingerrorfromsetpointBasicversionuseslinearmodel buttherearemanypossiblemodelsCorrectionsforunmeasureddisturbances modelerrorsareincludedSinglestepandmulti stepversions Treatsmultivariablecontrol feedforwardcontrol 7 模型预测控制 优点 特点 ProcessesaredifficulttocontrolwithstandardPIDalgorithm longtimeconstants substantialtimedelays inverseresponse etc Thereissubstantialdynamicinteractionamongcontrols i e morethanonemanipulatedvariablehasasignificanteffectonanimportantprocessvariable Constraints limits onprocessvariablesandmanipulatedvariablesareimportantfornormalcontrol 8 模型预测控制 Techniquesdevelopedbyindustry 1 DynamicMatrixControl DMC ShellDevelopmentCo CutlerandRamaker 1980 CutlerlaterformedDMC Inc DMCacquiredbyAspentechin1997 2 ModelAlgorithmicControl MAC ADERSA GERBIOS Richaletetal 1978 Over4000applicationsofMPCsince1980 QinandBadgwell 1998and2003 9 模型预测控制 优点 特点 Time delaycompensationtechniquespredictprocessoutputonetimedelayahead Hereweareconcernedwithpredictivecontroltechniquesthatpredicttheprocessoutputoveralongertimehorizon e g open loopresponsetime 10 模型预测控制 idea BasicconceptforModelPredictiveControl 11 模型预测控制 优点 特点 GeneralCharacteristics Targets setpoints selectedbyreal timeoptimizationsoftwarebasedoncurrentoperatingandeconomicconditions Minimizesquareofdeviationsbetweenpredictedfutureoutputsandspecificreferencetrajectorytonewtargets Discretestepresponsemodel Frameworkhandlesmultipleinput multipleoutput MIMO controlproblems 12 模型预测控制 优点 特点 Canincludeequalityandinequalityconstraintsoncontrolledandmanipulatedvariables Solvesaquadraticprogrammingproblemateachsamplinginstant Disturbanceisestimatedbycomparingtheactualcontrolledvariablewiththemodelprediction UsuallyimplementsthefirstmoveoutofMcalculatedmoves 13 1动态矩阵控制 2 动态矩阵控制原理与算法控制结构组成优化策略反馈校正算法设计参数选择采样周期优化时域长度控制时域程度权矩阵误差校正向量 14 1动态矩阵控制 DMC依靠对象的阶跃响应控制结构组成预测模型 15 1动态矩阵控制 StepResponseModelsStepresponsemodelsarebasedonthefollowingidea Assumethatthesystemisatrest Foralineartime invariantsingle inputsingle output SISO systemlettheoutputchangeforaunitinputchangebegivenby 0 a1 a2 aN aN HereweassumethatthesystemsettlesexactlyafterNsteps Thestepresponse a1 a2 aN constitutesacompletemodelofthesystem whichallowsustocomputethesystemoutputforanyinputsequence 可加性 16 1动态矩阵控制 预测模型对象的动态特性通过动态系数 a1 a2 aN 来描述 a1 a2 aN 是阶跃响应在采样时刻t T 2T NT的值 aistepresponsecoefficients ai 1 aiimpulseresponsecoefficients N的选择应该使ai as j N as是阶跃响应终止值 17 1动态矩阵控制 Forexampleifthediscretesystemdescription samplingtimeT 0 1 isy k 0 5y k 1 u k 3 thenthetransferfunctionis 18 1动态矩阵控制 Thefollowingcommandsgeneratethestepresponsemodelforthissystemandplotit num 01 den 10 5 delt1 0 1 delay 2 whydon twechoose3 g poly2tfd num den delt1 delay Setupthemodelintfformattfinal 1 6 delt2 delt1 nout 1 plant tfd2step tfinal delt2 nout g Calculatethestepresponseplotstep plant Plotthestepresponse 19 1动态矩阵控制 20 1动态矩阵控制 plant 0 a10 a21 0000 a30 50000 75000 62500 68750 65630 67190 66410 66800 66600 66700 66650 66670 6666 a161 0000 nout i 1ifoutputiisstable 1 0000 ny0 1000 delt2 21 1动态矩阵控制 预测模型线性系统的可加性 可以由a a1 a2 aN T描述假设t kT有一个控制增量 u k 后面控制量不变在采样时刻t k 1 T k 2 T k N T的值 22 1动态矩阵控制 1预测模型假设t kT k 1 T k M 1 T有控制增量 u k u k 1 u k M 1 后面控制量不变在采样时刻t k 1 T k 2 T k P T的值 滚动 23 1动态矩阵控制 2优化策略权矩阵 期望轨迹 优化控制变量 uM k 期望指标 无约束问题 误差小 控制量小 即 24 1动态矩阵控制 优化策略优化控制量 uM k 25 1动态矩阵控制 优化控制这就是t kT时刻解的最优控制增量序列优化控制量 uM k u k u k M 1 t kT u k u k 1 u k t k 1 T u k 1 u k u k 1 t k M 1 T u k M 1 u k M 2 u k M 1 t k M T u k M u k M 1 t k M 1 T u k M 1 u k M 26 1动态矩阵控制 P189图7 3DMC的优化策略 27 1动态矩阵控制 28 1动态矩阵控制 3反馈校正原因模型误差非线性特性干扰方法动态调整 29 1动态矩阵控制 3反馈校正预测误差 一步控制Du k 后的预测与实际值之差 校正权系数 30 1动态矩阵控制 3反馈校正t k 1 T时刻误差校正后的系统在t k i T i 1 2 N 的输出预测t k 1 T时刻误差校正后的系统 在t k 1 i T i 1 2 N 的输出预测 31 1动态矩阵控制 反馈校正Thoughmcontrolmovesarecalculated onlythefirstone Du k isimplemented Atthenextsamplinginterval newvalues