工業(yè)過程模型預(yù)測控制研究

李志斌

摘 ?要 ?模型預(yù)測控制（MPC）是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的控制方法，它的產(chǎn)生來自于實(shí)際工業(yè)的需要，使得這種控制方法在工業(yè)過程控制中具有重要的作用。隨著社會的發(fā)展和企業(yè)競爭的不斷加劇，在設(shè)計(jì)控制器的過程中除了考慮如何提高產(chǎn)品質(zhì)量，還需要考慮能源的消耗，使得資源得到合理的利用和經(jīng)濟(jì)效益的最大化。為了滿足工業(yè)過程的控制要求，傳統(tǒng)的控制理論已經(jīng)不能夠滿足這一要求，這就使得模型控制在現(xiàn)代工業(yè)過程控制中得到快速的發(fā)展。本文主要對工業(yè)過程模型預(yù)測控制進(jìn)行了簡要的介紹，重點(diǎn)論述了模型預(yù)測控制的方法，希望能夠給相關(guān)的人員提供參考

依據(jù)。

關(guān)鍵詞 ?工業(yè)過程;模型預(yù)測控制;理論;方法;研究

中圖分類號：TP13 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）22-0054-01

由于模型預(yù)測控制對于模型要求比較低，并且魯棒性、抗干擾性等特別強(qiáng)，適用于實(shí)際工業(yè)過程的控制。現(xiàn)階段，模型預(yù)測控制已經(jīng)在發(fā)電廠控制、化工生產(chǎn)控制等具體工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。雖然模型預(yù)測控制已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，但是當(dāng)生產(chǎn)系統(tǒng)的工況條件發(fā)生變化是時(shí)，控制系統(tǒng)往往也會出現(xiàn)參數(shù)的變化，使得控制問題變得復(fù)雜，所以對于復(fù)雜工業(yè)過程的模型預(yù)測控制成為了現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)過程控制中急需解決的問題。

1 ?模型預(yù)測控制概述

模型預(yù)測控制是一種基于在線優(yōu)化的控制策略，主要是在每一個(gè)采樣時(shí)刻都會將控制系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)作為下一個(gè)控制的初始條件，然后利用過程的動態(tài)模型預(yù)測在有限時(shí)域內(nèi)得到系統(tǒng)的未來響應(yīng)，最后再根據(jù)該模型優(yōu)化對象的未來性能指標(biāo)來解一個(gè)開環(huán)最優(yōu)問題，進(jìn)而得到一個(gè)控制序列，并將這一控制序列的第一個(gè)控制變量作用于系統(tǒng)的被控對象。到下一個(gè)采樣時(shí)刻，再利用新的狀態(tài)測量重新求解開環(huán)最優(yōu)問題，最終形成一個(gè)完整的閉環(huán)控制。在這一過程中，每一采樣時(shí)刻，優(yōu)化性能指標(biāo)只涉及從該時(shí)刻起到未來有限的時(shí)間，不能夠一直延續(xù)下去，而在下一個(gè)采樣時(shí)刻，這一優(yōu)化時(shí)段將向前推移。因此，預(yù)測控制并不是一個(gè)對全局相同的優(yōu)化性能指標(biāo)，只是針對某一時(shí)段的優(yōu)化性能指標(biāo)，這樣預(yù)測控制只能得到全局的次優(yōu)解，并且優(yōu)化的過程是反復(fù)在線進(jìn)行，而不是一次離線進(jìn)行的。對于模型預(yù)測需要經(jīng)過預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正三個(gè)不同的過程中，這樣才能夠得到準(zhǔn)確的全局次優(yōu)解。

2 ?預(yù)測模型的方法

模型預(yù)測控制是一種基于模型的控制方法，這使得預(yù)測模型成為預(yù)測控制中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。預(yù)測模型與其他的環(huán)節(jié)相比，它只注重模型的功能，而不注重模型的形式。所謂的預(yù)測模型的功能就是根據(jù)相關(guān)的信息來預(yù)測未來系統(tǒng)動態(tài)行為，只是一個(gè)預(yù)測功能，不需要考慮模型的形式，任何形式均可作為模型預(yù)測?，F(xiàn)階段，建立預(yù)測模型的方法主要有：機(jī)理建模、混合建模和實(shí)驗(yàn)建模三種方法。以下將對這三種方法進(jìn)行簡要的介紹。

1）實(shí)驗(yàn)建模法。

實(shí)驗(yàn)建模不需要對過程做詳細(xì)的了解，除了選擇模型的結(jié)構(gòu)形式，還需要輸入序列設(shè)計(jì)、噪聲建模及參數(shù)估計(jì)等重要的環(huán)節(jié)，相比激勵(lì)建模法有著明顯的優(yōu)勢。此外，實(shí)驗(yàn)建模容易限制模型的復(fù)雜程度，當(dāng)過程參數(shù)變化或運(yùn)行的范圍發(fā)生變化時(shí)，能夠容易的通過過程數(shù)據(jù)重新建模，也可以通過自適應(yīng)的方法對原模型進(jìn)行在線修正。大多數(shù)實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)工藝是很復(fù)雜的，在建立系統(tǒng)的機(jī)理模型時(shí)是極為復(fù)雜，有時(shí)候是不能夠進(jìn)行機(jī)理建模的，這時(shí)就必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建模，這樣才能夠滿足工業(yè)過程控制的要求。

2）機(jī)理建模法。

機(jī)理建模法主要是根據(jù)系統(tǒng)質(zhì)量、能量守恒等定律建立系統(tǒng)的動態(tài)模型，這種方法同其他兩種方法相比，一個(gè)明顯的優(yōu)勢就是不要很多的過程數(shù)據(jù)，這就使得當(dāng)控制對象工作在特性變化快的場合。雖然機(jī)理建模能夠應(yīng)對特性變化快的情況，但是對于不同的控制對象和不同的特性，在進(jìn)行機(jī)理建模時(shí)都需要重新做大量的工作，這樣必然會延長工作周期和耗費(fèi)大量的資金，不利于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

3）混合建模法

混合建模法是實(shí)驗(yàn)建模法和機(jī)理建模法的結(jié)合，根據(jù)工業(yè)過程控制的具體要求，充分利用這兩種建模法的優(yōu)點(diǎn)。對于這兩種建模法如何結(jié)合才能使模型最佳，一般有兩種不同的結(jié)合法。一種是：先用機(jī)理建模法來描述系統(tǒng)的基本動態(tài)，然后在根據(jù)基本參數(shù)用實(shí)驗(yàn)建模法補(bǔ)充辨識未知函數(shù)或是實(shí)際系統(tǒng)與機(jī)理模型之間的一些誤差，這樣將兩者有效的結(jié)合在一起，使模型達(dá)到工業(yè)過程控制的要求。另一種則是：根據(jù)對系統(tǒng)機(jī)理的初步了解，初步建立系統(tǒng)的機(jī)理模型，然后建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，最后根?jù)機(jī)理模型相關(guān)參數(shù)來進(jìn)一步的調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嚓P(guān)參數(shù)，最終得到一個(gè)最佳的模型。

3 ?模型預(yù)測控制方法

對于一些復(fù)雜的工業(yè)過程，當(dāng)控制系統(tǒng)模型參數(shù)不清楚或是變化不明顯時(shí)，需要采用模型預(yù)測控制進(jìn)行有效的控制。在工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用模型預(yù)測控制法進(jìn)行過程控制，不僅能夠有效的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，同時(shí)也能夠降低生產(chǎn)成本，使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。對于不同的工業(yè)過程需要采用不同的模型預(yù)測控制方法。以下對兩種常用的模型預(yù)測控制方法進(jìn)行詳細(xì)的論述。

1）加權(quán)多模型預(yù)測控制法。

對于加權(quán)多模型預(yù)測控制法，一般會根據(jù)具體的工業(yè)過程擬定一個(gè)基本的思想，然后再進(jìn)行具體的模型設(shè)計(jì)。首先需要根據(jù)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型和給定的性能指標(biāo)及相關(guān)的約束條件設(shè)計(jì)控制器，并求出各個(gè)控制器的獨(dú)立輸出。然后在設(shè)計(jì)加權(quán)器，并通過計(jì)算不確定的參數(shù)來確定控制器輸出的加權(quán)值，最后求出各個(gè)控制器輸出與加權(quán)乘積之和來確定實(shí)際的控制輸出值?；谀Ｐ图訖?quán)的多模型預(yù)測控制法能夠有效的進(jìn)行工業(yè)過程控制。因此，在工業(yè)過程控制中得到了極為廣泛的應(yīng)用。

2）切換多模型預(yù)測控制法。

切換多模型預(yù)測控制法主要是通過對系統(tǒng)進(jìn)行多模型描述后，設(shè)計(jì)一組預(yù)測控制器和一個(gè)控制器切換準(zhǔn)則，最后根據(jù)控制器切換準(zhǔn)則合理、科學(xué)的選擇其中具有預(yù)測控制的控制器。在采用這樣模型控制法中一個(gè)關(guān)鍵的問題就是如何設(shè)計(jì)控制器切換準(zhǔn)則，進(jìn)而使閉環(huán)切換系統(tǒng)穩(wěn)定和保證相關(guān)的性能指標(biāo)。

4 ?結(jié)束語

工業(yè)過程模型預(yù)測控制對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和工業(yè)生產(chǎn)效率都起著重要作用，對于模型預(yù)測控制進(jìn)行相關(guān)的研究是十分必要的。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，模型預(yù)測控制研究將得到更好的發(fā)展，將更好的滿足工業(yè)過程控制的要求和得到更加廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]李少遠(yuǎn).工業(yè)過程系統(tǒng)的預(yù)測控制[J].控制工程，2010（04）.

[2]李軍，張宇，王紀(jì)森.基于DRNN的非線性模型預(yù)測控制研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2010（08）.

[3]高強(qiáng)，李航.基于單變量與多變量系統(tǒng)的模型預(yù)測控制研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013（09）.endprint