双层结构模型预测控制策略研究

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1、双层结构模型预测控制算法研究摘要双层结构模型预测控制算法不但解决了模型预测控制中选取设定值的问题，而且实现了将系统稳定性、经济性及设定值优化和设定值追踪进行分离，使结构更加清晰。由于预测控制算法要求在线求解有约束的优化设定值，因此当前大型工业系统中预测控制算法的应用存在在线计算量大的问题，大大制约了预测控制算法的发展与应用。当前国内外对模型预测控制算法的理论研究与分析还不完善，因此该控制算法应用于大系统中欠缺相应的理论支持。通过分析稳态优化层和动态控制层的双层结构模型预测控制算法，对该控制算法的稳态层与动态层进行改造，进而得出上层集中优化下层分散控制的双层结构控制算法。该控制算法不

2、仅能减少大型系统在线求解量，而且能够保证该系统的整体最优的特性。本文主要从以下几个方面进行了系统研究：1）对模型预测控制策略基本原理进行阐述，且基于该控制策略详细介绍了动态矩阵控制算法。2）采用双层的结构模型预测控制算法，上层稳态优化层通过计算稳态冃标得出最优点，下层动态优化层则选用动态矩阵控制算法对最优点进行追踪,实现系统的优化与控制。3）得岀稳态层集中优化与动态层分散控制的双层结构模型预测控制算法并通过仿真控制策略的有效性。关键字：双层结构模型预测控制，集中优化，分散控制，动态矩阵控制算法目录1绪论11」研究背景及意义11.2模型预测控制发展现状11.3本文研究的主耍内容22模

3、型预测控制基本原理42」模型预测控制基木原理42.2动态矩阵控制算法53双层结构模型预测控制103」双层结构模型预测控制阐述103.2稳态数学模型建立113.3稳态目标计算123.4动态优化控制144双层结构模型预测控制仿真154.1集中优化与分散控制策略164.2仿真分析205总结与展望27参考文献281绪论1.1研究背景及意义石油、化工、造纸、医药等行业是我国的重要性行业，其关系到我国的国民生计以及经济安全，为我国经济发展的支柱性产业。传统的PID控制算法在工业生产中的得到普遍使用，在确保生产稳定、减少劳动力等方面取得了很大的成就。不过对于石油化工行业来说，其自身具有多变量、多

4、约束条件的特点，使得对其控制的算法提出了很高的要求，传统的PID算法已不能完成大型复杂行业的生产要求。20世纪70年代，工业中出现了模型预测控制算法，用于处理传统控制算法无法达到控制效果的大型工业系统屮。模型预测控制算法大体包含模型预测、滚动优化、反馈校正这3部分。随着模型预测控制算法的进一步发展，其算法的应用领域也不断扩大，不单单用于石油化工等行业，还用于造纸、食品加工、汽车制造等行业。模型预测控制算法应用的规模越来越大，得到工业界的普遍认可，为当前工业中非常重要的一项控制算法。本文中，基于对双层结构模型预测控制算法的理论学习的基础上，对各种应用于大型系统屮的预测控制算法的研究，

5、结合对控制算法性能的总结，进一步得出了一种上层采用集中稳态控制，下层采用分散动态控制的算法。目的在于对双层结构模型预测控制算法进行改进与发展，以实现在工业中更好的对系统进行控制，对于生产中实现节能、减排以及降耗等问题具有非常重要的意义。1.2模型预测控制算法发展现状模型预测控制算法是在工业生产的实践中产生的，随着该控制理论的不断发展,模型预测控制算法在工业中的得到了普遍的使用，主要应用于石油化工、食品加工等领域。自二十世纪四十年代起，选用传统的PID控制算法不断成为控制的重要组成，该控制算法基于传统的控制利用，对于控制系统主要选取频域分析法来对其进行分析与设计。当前，传统的PID控

6、制仍得到工业的普遍使用，其中PID控制算法的控制装置中占现代控制装置的五分之四，这是由于PID控制算法是基于人们经验的总结,可以满足一般的工业领域正常的生产运行。但是PID控制策略难以满足每个行业的需求。自二十世纪五十年代以来，复杂的控制算法得到了不断的发展，其渐渐符合了复杂控制系统的某些特别需求。工业领域中，仍然有五分之一的的控制系统沿用传统的控制算法无法实现其控制效果。这些控制系统的被控对象通常具备多变量、非线性以及滞后等特征，且其限制条件比较多，在工业生产屮起非常重要的作用，决定了产品的质量、材料的消耗及产品冋收率等重要的生产指标。随着社会的不断发展，工业对控制系统的需求越来

7、越严格，需要更优良的控制算法来处理这个问题。到现在为止，已经提出了很多种模型预测控制算法。二十世纪八十年代末最早提岀了经典的模型预测控制算法。二十世纪九十年代初提出了基于阶跃冋应的动态矩阵控制算法。这两类控制算法在不断吸取现代控制理论之中的优化思想的基础上,通过不断的进行改进进而代替传统的优化控制算法。二十世纪九十年代末，提出了广义预测控制算法（GPC）,以及广义极点配置控制算法（GPP）。参数模型控制算法不仅保留了非参数模型控制算法所具有的基本特点，而且大大减少了预