熱工過程預(yù)測控制簡述

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(中油遼河工程有限公司熱力工程所，遼寧 盤錦 124010)

1 引言

非線性系統(tǒng)的辨識(shí)一直是國際辨識(shí)屆所關(guān)心的問題。該問題的主要困難之一是缺乏描述一般非線性系統(tǒng)的統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。為此，人們提出了多種類型的模型，如Hammerstein模型和Wiener模型、非線性參數(shù)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、模糊模型等?；痣姲l(fā)電機(jī)組的熱工自動(dòng)化是保障設(shè)備安全、提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度及改善勞動(dòng)條件的重要技術(shù)措施。火力發(fā)電機(jī)組控制的中心問題是：一方面要求機(jī)組出力迅速地跟蹤電網(wǎng)負(fù)荷的變化，另一方面在負(fù)荷變化時(shí)要保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，特別是保持主要參數(shù)（主汽壓力、主汽溫度、汽包水位等）的波動(dòng)不超出運(yùn)行規(guī)程規(guī)定的限制?；痣姍C(jī)組是非常復(fù)雜的控制對象，其生產(chǎn)過程具有大滯后大慣性、時(shí)變、多變量和非線性等特點(diǎn)，本文研究預(yù)測控制策略，具有重要的理論意義和使用價(jià)值。在各種先進(jìn)控制策略中，預(yù)測控制是目前很有應(yīng)用潛力的一種。由于它采用多步預(yù)測、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正等控制策略，因而控制效果好、魯棒性強(qiáng)，適用于控制不易建立精確數(shù)學(xué)模型且比較復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程。

2 預(yù)測控制的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

2.1 預(yù)測控制的基本特征。預(yù)測控制是在70年代后期發(fā)展起來的一類新型計(jì)算機(jī)控制算法，一般包括三個(gè)基本要素：模型預(yù)測、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正，這三個(gè)要素同時(shí)也是預(yù)測控制在實(shí)際工程應(yīng)用中能否得到成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

a.預(yù)測模型。預(yù)測控制是一種基于模型的控制，這一模型稱為預(yù)測模型。不同的被控對象要用不同的模型。對于線性系統(tǒng)，狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)等傳統(tǒng)的模型都可以作為預(yù)測模型。對于線性穩(wěn)定對象，階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)這類非參數(shù)模型，也可以直接作為預(yù)測模型使用。對于非線性對象，近年來很多學(xué)者都致力于用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為預(yù)測模型，并取得了一些成果。

b.滾動(dòng)優(yōu)化。預(yù)測控制是一種優(yōu)化控制算法，它是通過某一性能指標(biāo)的最優(yōu)來確定未來的控制作用的。這一性能指標(biāo)涉及到系統(tǒng)未來的行為，例如，通常可取對象輸出在未來的采樣點(diǎn)上跟蹤某一期望軌跡的方差最小。然而需要強(qiáng)調(diào)的是，預(yù)測控制中的優(yōu)化與傳統(tǒng)意義下的離散最優(yōu)控制

有很大的區(qū)別。這主要表現(xiàn)在預(yù)測控制的優(yōu)化是一種有限時(shí)段的滾動(dòng)優(yōu)化。在每一采樣時(shí)刻，優(yōu)化性能指標(biāo)只涉及到從該時(shí)刻起未來有限的時(shí)間，而到下一采樣時(shí)刻，這一優(yōu)化時(shí)段向前推移。因此，在預(yù)測控制中，優(yōu)化不是一次離線進(jìn)行，而是反復(fù)在線進(jìn)行的，這就是滾動(dòng)優(yōu)化的含義，也是預(yù)測控制區(qū)別于傳統(tǒng)最優(yōu)控制的根本點(diǎn)。

c.反饋校正。預(yù)測控制是一種閉環(huán)算法。在通過優(yōu)化確定了一系列未來的控制作用后，為了防止模型失配或環(huán)境干擾引起控制對理想狀態(tài)的偏移，預(yù)測控制通常不是把這些控制作用逐一實(shí)施，而只是實(shí)現(xiàn)本時(shí)刻的控制作用。到下一采樣時(shí)刻，則首先檢測對象的實(shí)際輸出，并利用這一實(shí)時(shí)信息對基于模型的預(yù)測進(jìn)行修正，然后再進(jìn)行新的優(yōu)化。

2.2 預(yù)測控制的特點(diǎn)

與其他控制算法相比，預(yù)測控制有其自身的特點(diǎn)：a對模型的精度要求不高，建模方便，過程描述可由簡單實(shí)驗(yàn)獲得；b采用非最小化描述的模型，系統(tǒng)魯棒性、穩(wěn)定性較好；c采用滾動(dòng)優(yōu)化策略，而非全局一次優(yōu)化，能及時(shí)彌補(bǔ)由于模型失配、畸變、干擾等因素引起的不確定性，動(dòng)態(tài)性能好；d易將算法推廣到有約束、大遲延、非最小相位、非線性等實(shí)際過程。尤為重要的是，它能處理多變量、有約束問題。故而，這種算法的綜合控制質(zhì)量較高，特別適用于過程控制。

2.3 預(yù)測控制的研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)。近20年來，國內(nèi)外關(guān)于預(yù)測控制的研究和應(yīng)用日趨廣泛，各種有關(guān)預(yù)測控制的文獻(xiàn)越來越多地出現(xiàn)在各種刊物和會(huì)議上。這些說明，預(yù)測控制不僅是工業(yè)過程控制領(lǐng)域最具代表性的先進(jìn)控制策略，而且相應(yīng)的理論研究也是控制理論界研究的熱點(diǎn)。下面著重從廣義預(yù)測控制的算法改進(jìn)研究、非線性預(yù)測控制、約束預(yù)測控制等方面對預(yù)測控制的研究現(xiàn)狀加以歸納總結(jié)。

a.預(yù)測控制算法的改進(jìn)研究。這里主要圍繞廣義預(yù)測控制展開，廣義預(yù)測控制作為預(yù)測控制中最具代表性的算法之一，一直是預(yù)測控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。十多年來，對廣義預(yù)測控制的研究不斷深入，其理論和算法不斷完善，在工業(yè)界得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于各類基本算法有各自的局限性，故在技術(shù)進(jìn)步過程中，算法也在不斷的更新。

b.非線性系統(tǒng)的預(yù)測控制。預(yù)測控制算法開始是針對線性系統(tǒng)提出的，由于其魯棒性，作為一種模型失配，使得線性模型的預(yù)測控制算法可使用于弱非線性系統(tǒng)。但當(dāng)系統(tǒng)是強(qiáng)非線性系統(tǒng)時(shí)，采用線性模型的預(yù)測控制與實(shí)際偏離較大，達(dá)不到優(yōu)化控制的目的和控制效果，而且實(shí)際工業(yè)過程存在大量的強(qiáng)非線性系統(tǒng)，因此必須采用非線性預(yù)測控制。

c.約束預(yù)測控制。實(shí)際過程中，輸入量和輸出量常常受到物理?xiàng)l件的制約，因此，研究約束預(yù)測控制具有實(shí)際意義。預(yù)測控制的優(yōu)點(diǎn)之一，就是能在控制器設(shè)計(jì)過程中顯式地處理過程約束。

3 預(yù)測控制在熱工過程中的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

熱工過程往往具有較大的慣性和滯后，且是非線性和慢時(shí)變的，這使采用固定參數(shù)的PID常規(guī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能與生產(chǎn)上越來越高的控制要求相適應(yīng)。現(xiàn)代控制理論由于對模型精度要求過高而使其應(yīng)用受到限制。而預(yù)測控制由于采用滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正，對模型要求不高，因此在熱工過程控制中具有很大的應(yīng)用潛力。近年來許多學(xué)者結(jié)合熱工過程對預(yù)測控制進(jìn)行深入研究，并取得了一些進(jìn)展:東南大學(xué)呂劍虹采用GPC方法來控制鍋爐的過熱汽溫，當(dāng)被控對象特性在較大范圍變化時(shí)，GPC方法仍能保持汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。華北電力大學(xué)王東風(fēng)提出用多模型廣義預(yù)測控制方案來解決火電廠變負(fù)荷機(jī)組汽溫系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的時(shí)變大遲延特性。清華大學(xué)張青在國內(nèi)首次介紹了統(tǒng)一預(yù)測控制理論(UPC)，并從UPC的框架出發(fā)，提出UPC簡約設(shè)計(jì)方法，對蒸汽溫度系統(tǒng)和球蘑機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。目前針對熱工對象的各種預(yù)測控制方法主要是以被控對象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)來進(jìn)行研究的，而熱工對象的一個(gè)重要特點(diǎn)是影響被調(diào)量 (即輸出變量)的擾動(dòng)來源較多，而且大部分的擾動(dòng)是不可測的，無法建立一個(gè)包括各種擾動(dòng)在內(nèi)的數(shù)學(xué)模型。由于預(yù)測模型中不能考慮各種擾動(dòng)，勢必造成較大的預(yù)測偏差，從而影響預(yù)測控制的品質(zhì)。如何比較準(zhǔn)確獲得熱工對象輸出變量的預(yù)測值，將是預(yù)測控制能否成功應(yīng)用于熱工過程控制的一個(gè)關(guān)鍵問題。目前T-S模糊模型是一種本質(zhì)非線性模型，且結(jié)論采用線性方程式描述，宜于表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，本文將在日后的研究中深入研究T-S模糊辨識(shí)的優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)束語。模型預(yù)測控制是一種基于模型和基于優(yōu)化的控制。預(yù)測控制之所以能在工業(yè)過程中顯示出巨大的魅力，應(yīng)歸功于其基本原理對于工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性。這些原理可歸結(jié)為模型預(yù)測、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正。模型預(yù)測控制蘊(yùn)含了一種強(qiáng)有力的方法論思想，實(shí)際上反映了人們在處理復(fù)雜對象以及帶有不確定問題時(shí)的一種通用的處理思想方法。它非常類似于人類在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行決策的行為，這種方法論思想應(yīng)該具有更廣泛的適用性。線性系統(tǒng)的模型預(yù)測控制已有很好的發(fā)展，而對于非線性系統(tǒng)的模型預(yù)測控制方法并不多。本文針對熱工過程存在強(qiáng)非線性的特點(diǎn)，對預(yù)測控制算法進(jìn)行了簡單論述。

由于熱工過程控制是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，它涉及多種學(xué)科，滲透了各種專業(yè)知識(shí)。由于作者水平有限，文中錯(cuò)誤和不妥之處敬請批評(píng)指教。

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