基于模型預測控制的分層預測控制系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】一種基于模型預測控制的分層預測控制系統(tǒng)及方法，包括：上層傳統(tǒng)預測控制模塊、傳感器和下層實時反饋校正模塊，其中：上層傳統(tǒng)預測控制模塊的輸入端和下層實時反饋修正模塊的輸入端分別與傳感器的輸出端相連，傳感器的輸入端與控制對象的輸出端相連，上層傳統(tǒng)預測控制模塊與下層實時反饋修正模塊連接，下層實時反饋修正模塊的輸出端與控制對象相的輸入端連接，在每個控制時刻，下層實時反饋修正模塊能修正從上層傳統(tǒng)預測控制模塊送入的優(yōu)化所得控制量，并輸送給被控對象。本發(fā)明在保證控制器的控制性能的同時，解決了在部分快速系統(tǒng)中，推廣了預測控制器在快速系統(tǒng)中的應用，具有實用性和應用價值。
【專利說明】基于模型預測控制的分層預測控制系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及直流電動機控制領(lǐng)域的控制系統(tǒng)及其控制方法，具體是一種基于模型預測控制的分層多速率預測控制系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]模型預測控制是上世紀70年代開始發(fā)展起來的一種先進控制方法。由于其具備對模型的要求低，魯棒性好，可以較方便地處理約束等能力，因此得到工業(yè)界的青睞，尤其是在諸如化工、煉油及電力等工業(yè)控制對象中得到較為廣泛的應用。但模型預測控制系統(tǒng)是一種采用在線滾動優(yōu)化的控制器，即控制器需要在每一采樣時刻以系統(tǒng)當前狀態(tài)作為初始狀態(tài)，在線求解一個有限時域的優(yōu)化問題從而獲得系統(tǒng)當前控制量。因此，在實際應用中，控制的實時性往往成為限制模型預測控制器應用范圍的壁壘，如何保證被控對象在每個采樣時刻都能得到模型預測控制器的實時控制成為模型預測控制發(fā)展過程中亟待解決的問題。由于傳統(tǒng)預測控制器的在線計算量主要由其所需優(yōu)化問題的優(yōu)化變量個數(shù)決定，因此，為了降低預測控制器的在線計算量，提高控制器的實時控制能力，在早期的控制器設(shè)計中，通常采用限制控制時域長度的設(shè)計方式。
[0003]經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的相關(guān)資料檢索發(fā)現(xiàn)，李德偉等已獲得的授權(quán)專利“基于模型預測控制的集結(jié)預測控制系統(tǒng)及其控制方法”采用對預測控制系統(tǒng)的優(yōu)化變量進行分段集結(jié)和衰減集結(jié)的策略設(shè)計控制器，可以在降低預測控制器在線計算量的同時也獲得較好的控制性能。然而，由于優(yōu)化問題的自由度減少導致的控制質(zhì)量損失仍不可避免，同時，該控制器的設(shè)計依舊需要在每個控制時刻在線求解優(yōu)化問題以獲得實時控制量，這樣的耗時在一些快速系統(tǒng)中仍不可小覷，尤其是在實際應用對控制系統(tǒng)“快速性”和“廉價性”雙重需求日益明顯的今天，在一些快速系統(tǒng)中，模型預測控制器甚至無法在一個周期內(nèi)完成一次控制量的在線優(yōu)化，這一問題對控制質(zhì)量的負面影響毋庸置疑，因此，如何對價格合適的傳統(tǒng)模型預測控制器改進以適應對快速系統(tǒng)的控制，且要盡可能保證預測控制器的控制性能，對于工業(yè)應用具有較大的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于模型預測控制的分層多速率預測控制系統(tǒng)及其控制方法，以保證在快速預測控制系統(tǒng)中，預測控制器能在每個控制時刻及時輸出合適的控制量給控制對象，減少系統(tǒng)控制性能受在線優(yōu)化求解器計算能力有限的影響，以達到優(yōu)化系統(tǒng)控制性能的目的。
[0005]本發(fā)明用以下方案實現(xiàn):
[0006]一種基于模型預測控制的分層預測控制系統(tǒng)，其特點在于，包括:上層傳統(tǒng)預測控制模塊、傳感器和下層實時反饋校正模塊，其中:上層傳統(tǒng)預測控制模塊的輸入端和下層實時反饋修正模塊的輸入端分別與傳感器的輸出端相連，且按照不同的頻率接收系統(tǒng)對象狀態(tài)值，傳感器的輸入端與控制對象的輸出端相連，上層傳統(tǒng)預測控制模塊與下層實時反饋修正模塊連接，下層實時反饋修正模塊的輸出端與控制對象的輸入端連接以輸出控制策略。
[0007]每隔T時間，傳感器向下層實時反饋修正模塊傳輸一次數(shù)據(jù)，每隔mT時間，傳感器向上層傳統(tǒng)預測控制模塊傳輸一次數(shù)據(jù)，其中，m的大小由上層傳統(tǒng)預測控制模塊中二次規(guī)劃求解器的求解能力決定，對于一個特定對象，m的值固定。
[0008]本發(fā)明涉及的控制方法包括以下步驟:
[0009]第一步:采用狀態(tài)空間模型
【權(quán)利要求】
1.一種基于模型預測控制的分層預測控制系統(tǒng)，其特征在于，包括:上層傳統(tǒng)預測控制模塊、傳感器和下層實時反饋修正模塊，其中:上層傳統(tǒng)預測控制模塊的輸入端和下層實時反饋修正模塊的輸入端分別與傳感器的輸出端相連，且按照不同的頻率接收系統(tǒng)對象狀態(tài)值，傳感器的輸入端與控制對象的輸出端相連，上層傳統(tǒng)預測控制模塊與下層實時反饋修正模塊連接，下層實時反饋修正模塊的輸出端與控制對象相的輸入端連接以輸出控制策略。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型預測控制的分層預測控制系統(tǒng)，其特征在于，每隔T時間，傳感器向下層實時反饋修正模塊傳輸一次數(shù)據(jù)，每隔mT時間,傳感器向上層傳統(tǒng)預測控制模塊傳輸一次數(shù)據(jù)，其中，m的大小由上層傳統(tǒng)預測控制模塊中二次規(guī)劃求解器的求解能力決定，對于一個特定對象，m的值固定。
3.利用權(quán)利要求1所述的基于模型預測控制的分層預測控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步:采用狀態(tài)空間模型
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述的第三步中上層傳統(tǒng)預測控制模塊開始進行優(yōu)化問題的求解，具體是:
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述的第四步中對控制向量修正的實現(xiàn)是在下層實時反饋修正模塊發(fā)布采樣命令時，傳感器將測得的系統(tǒng)狀態(tài)送入下層實時反饋修正模塊的處理器中，由該處理器快速計算控制序列的修正方向dk和修正步長a k，然后根據(jù)公式C/〗 =C/*+Δ￡/*計算出修正后的控制量，其中:Uk為存儲器中的原有控制量，AUk=akdk為該時刻處理器求出的修正的控制增量，即控制量的變化量，α,和dk通過以下具體步驟獲得: ①根據(jù)控制對象差分方程和上層傳統(tǒng)預測控制模塊設(shè)計，通過對象輸出y(k)和預測控制輸入序列Uk來表述時域長度內(nèi)系統(tǒng)輸出序列Yk，表達式如下:
= Smx (k) +GmUkjm^ 其中:Sm和Gm分別通過系數(shù)矩陣A和B進行表述:
【文檔編號】G05B17/02GK103984242SQ201410209575
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】李德偉, 王曦, 席裕庚 申請人:上海交通大學