先进控制技术及应用第五讲预测函数控制(PFC)--一种新型预测控制策略

系统地阐述了预测函数控制的基本原理,并针对一阶过程和一阶加纯滞后过程给出了相应的控制算法.仿真和工业应用结果表明:预测函数控制具有良好的抗干扰能力和跟踪效果.     

预测函数控制及其应用

在介绍了预测函数控制的基本原理及发展现状的基础上,针对间歇过程提出了一种在于预测函数控制的先进控制算法。仿真结果表明,该算法具有较好的跟踪效果,抗干扰能力及鲁棒性。     

考虑裕量损失函数的预测控制新架构

在常规预测控制性能指标函数的基础上加入一个表征操作变量空间变化情况的裕量损失函数,提出一种考虑裕量损失函数的预测控制新架构,并推导其优化求解过程。同时,通过稳态最优值分析新架构保留操作变量空间的效果,并采用稳态分析在预测控制中加入裕量损失函数对控制效果的影响。最后,通过实例仿真证实了新算法的有效性。     

预测函数控制在陶瓷烧成窑炉温度控制中的应用

针对陶瓷烧成生产过程的复杂性,提出一种陶瓷烧成温度预测函数控制方法。首先分析跟踪设定温度的陶瓷烧成温度预测函数控制方法的控制量结构,并给出预测函数控制方案;然后进行闭环系统性能分析;最后对模型进行仿真。     

纸机模型的预测函数控制

造纸过程是一个多变量、强耦合、大时滞的过程,采用传统的PID控制要达到很好的控制效果是很困难的。采用三种预测控制方法分别对纸机模型进行控制,并分别进行了仿真研究。从仿真结果可以看出,动态矩阵的跟踪效果不如广义预测控制,广义预测控制算法的跟踪性能较好,但是计算量较大,预测函数控制的响应速度较快,计算简单,控制效果也较好。     

基于预测的纸浆洗涤过程优化与控制

提出了基于预测的洗涤过程优化与控制一体化策略方法，该方法的控制级策略采用递推广义预测自校正控制器（ＲＧＰＣ）减少了现有广义预测控制（ＧＰＣ）算法在线计算量，同时采用多步预测信息的优化级目标函数，提高了优化策略的鲁棒性。     

基于一阶滞后传递函数的换热器模型预测控制

针对换热器本身具有较强的纯滞性、约束性等特性,提出将模型预测控制应用于换热器控制中。首先将换热器近似处理为一阶惯性环节,推导出其传递函数作为预测模型;而后以输出误差与控制量加权之和的二次型性能指标为目标函数对其进行滚动优化,使全过程达到最优;最后,通过反馈校正构成系统的闭环优化,提高控制的鲁棒性。通过仿真实例证明:模型预测控制能够较好地处理换热器控制上的纯滞后等问题,具有较好的鲁棒性。     

基于状态校正的积分对象预测控制算法及其应用

针对具有大滞后、强动态干扰的积分特性对象,提出了基于一阶状态校正的预测控制算法。算法考虑预测状态与其对应的实际测量值偏差的积分作用,在一阶维度上施加状态校正,从而大幅提高控制器的预测准确性与应对模型失配的能力。通过仿真对比验证了状态校正算法的有效性。本算法已实际应用于某炼厂闪蒸罐的液位控制,取得了较好的控制效果。     

模糊预测函数控制在水泥回转窑分解炉温控系统中的应用研究

通过对水泥回转窑系统中预分解炉温度控制回路的特性分析,提出一种基于模糊模型的增量型预测函数控制算法,根据生料流量的波动来修正相应的预测函数控制律,并以Hoenywell公司的Plantscape集散控制系统为平台,开发了实时控制软件,实际应用表明对存在大迟后和参数时变的水泥回转窑系统,该算法能达到良好的控制效果。     

乙苯催化脱氢制苯乙烯的预测函数控制及其稳定性分析

针对乙苯催化脱氢制苯乙烯过程的特点,给出多输入多输出系统的预测函数控制算法应用设计.同时基于Lyapunov函数方法分析了闭环控制系统的稳定性能,是判断不确定性存在时控制系统具有鲁棒能力的一种定量指标.选取某苯乙烯厂乙苯进量、蒸汽过热炉A 出口温度、蒸汽过热炉B出口温度、主蒸汽流量、压缩机入口压力5个量为控制输入,乙苯脱氢转化率及脱氢选择性为被控变量,应用所设计预测函数控制算法实现了脱氢系统的控制.实验结果表明,该算法对于乙苯脱氢生产过程具有好的鲁棒性和抗干扰性.     

氯乙酸生产结晶过程的预测函数控制仿真研究

针对氯乙酸生产结晶过程被控对象大滞后、大惯性的特点,设计了基于PFC—PID的串级控制系统：该系统将串级控制结构和预测函数控制算法相结合,内回路采用常规PID控制器,外回路采用预测函数控制(PFC)。结合了2者的优点,仿真结果表明,该串级控制系统在控制品质、鲁棒性等方面明显优于常规PID控制系统。     

线性规划实现动态优化的模型预测控制策略

为减小模型预测控制算法中动态优化部分的计算复杂度,提出了用线性规划而非二次规划解决模型预测控制动态优化方法。对单输入单输出和多输入多输出模型预测控制的情形,以控制增量、输出增量和偏移变量作为优化变量,建立线性等式约束和不等式约束,并引入线性目标函数,形成线性规划问题。通过加入多种软约束,可改善动态过程的性能指标,达到平稳控制的目的。最后通过一个实例验证了方法的有效性。     

带经济成本函数的区间预测控制

将区间预测控制和经济模型预测控制的目标函数结合,得到满足控制要求且经济效益更好的新型控制策略。实际生产中,特别是多变量耦合的复杂过程,某些被控变量只需满足某特定区间即可,而经济模型预测控制以过程经济或过程成本为目标函数,该目标函数使系统以过程的经济效益最大化为控制目标。因此本文提出一种将经济成本函数融入到区间预测控制的方法,利用预测时域分割的方法将经济成本项和区间控制项融合成一个目标函数的前后两个部分,调节时域分割点和权重系数能够兼顾区间控制和过程的经济性能。与传统形式的区间预测控制和经济模型预测控制相比,时域分割策略有更好的经济性能和响应速度。最后对连续搅拌釜反应器进行仿真实验,对比分析各个参数对控制效果的影响以及3种控制策略的性能,结果表明了时域分割策略的有效性。     

小波基预测函数控制在陶瓷烧成温度控制中的应用

针对陶瓷烧成窑炉具有大纯滞后、非线性及不确定性等特点,提出一种基于小波基函数的陶瓷烧成温度的预测函数控制方法,推断出陶瓷烧成温度预测函数控制的基本原理;利用小波的多尺度分析和紧支局部特性选取小波函数作为基函数,根据逼近要求灵活设置小波基函数的个数及位置分布,在保证系统整体优化性能的同时又满足了局部重点要求;理论分析和仿真表明,该控制方法与普通PFC方法相比,在动态特性、控制精度、抗干扰等方面具有明显的促进作用。     

小波基预测函数控制在陶瓷烧成温度控制中的应用

本文针对陶瓷烧成窑炉具有大滞后、非线性、不确定性等特点,提出一种基于小波基函数的陶瓷烧成温度的预测函数控制方法。给出陶瓷烧成温度预测函数控制的基本原理;利用小波的多尺度分析和紧支局部特性,选取小波函数作为基函数,根据逼近要求灵活设置小波基函数的个数及位置分布,在保证系统整体优化性能的同时又兼顾了局部重点要求;理论分析和仿真表明,该控制方法与普通PFC方法相比,在动态特性、控制精度、抗干扰等方面具有明显的改善作用。     

基于多目标的模糊神经网络及在pH控制过程中的应用

设计了一种基于多目标的动态模糊递归神经网络（FRNN）建模方法,用于pH中和过程的广义预测控制。所设计的多目标优化算法以提高拟合精度和简化网络结构为原则,同时优化模糊神经网络中的模糊规则数、隶属度函数中心点及其宽度,由此得到的FRNN模型可以高精度拟合pH中和过程。依据该动态模型,在控制过程的每一个控制周期得到其局部线性模型,将广义预测控制中复杂的非线性优化问题转化为简单的二次线性规划问题。仿真对比结果验证了所提方法的有效性。     

多变量系统广义预测目标函数解耦设计

提出一种带设定值观测器的广义预测目标函数解耦控制算法,在目标函数中用控制量的增量代替控制量,使控制增量变化不至于过于剧烈,并对目标函数进行解耦设计,加入设定值观测器进一步减弱耦合,还引进了阶梯式控制策略,大大减少了计算量.最后给出了球磨机模型的仿真结果.     

基于期望响应的预测函数控制参考轨迹自校正方法

采用指数律参考轨迹的传统预测函数控制（PFC）,系统动态响应无法预先估计,不能直接按照指定的轨迹整定动态响应。本文提出了一种预测函数控制参考轨迹自校正策略。基于事先规定的期望响应,对指数律参考轨迹的衰减系数进行实时在线滚动优化,保证预测时域内的参考轨迹最大幅度地贴近期望轨迹,使得系统响应能够准确地跟踪期望轨迹,并在指定的时刻到达设定值,同时也保留了控制输出平滑的特性。仿真实验证实了该方法的有效性及其优点。     

非线性Hammerstein模型预测控制策略及其在pH中和过程中的应用

所有实际工业过程都包含一定程度的非线性,如pH中和过程由于其本身的强非线性是工业过程控制中具有挑战性的难题,但至今为止仍缺乏有效的非线性控制方法。将基于差分方程模型的模型预测控制策略(model predictive control,MPC)推广到包含一个静态非线性多项式函数和一个线性差分方程动态环节的非线性Hammerstein系统,详细描述了基于静态非线性多项式函数的最优控制作用求解方法,提出了一套新的非线性Hammerstein MPC 控制策略(nonlinear Hammerstein predictive control,NLHPC)。pH中和过程控制仿真和控制实验表明,NLHPC的控制结果好于工业上常用的非线性 PID(nonlinear PID,NL-PID)控制器。     

串级控制对过程预测控制的影响分析与对策

化工过程控制中普遍设置以流量控制为副回路的串级控制来实现对温度、液位和成分等被控变量的控制。预测控制的操作变量在很多情况下也是流量,其控制作用的实现要靠底层的流量控制回路。本文针对由于现场串级控制结构不允许改变,流量副回路只能接收温度等主控制器的输出作为其给定值,造成上层预测控制的操作变量无法直接下载到流量控制回路的问题,分别提出了一种将上层优化输出通过一阶惯性滤波作用于主回路控制器和一种将串级控制中流量对主被控变量的传递函数嵌入预测控制模型的实施方案,通过Shell标准重油分馏塔的控制问题进行仿真实验证明了两种方案的可行性,并对其控制性能进行了比较分析。两种方法理论上构思简单,实际中易于实现,具有普遍适用性。