[发明专利]基于ARM的嵌入式模型预测控制方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于模型预测控制的技术领域，具体涉及一种采用动态矩阵的控制方法和利用该方法所实现的整套控制装置。

背景技术

模型预测控制公认为应用于流程工业优秀的先进控制算法，是先进过程控制的一个重要的方向。动态矩阵控制算法是具有代表性的模型预测控制方法。该算法基于装置阶跃响应得到内部模型，具有多步预测、滚动优化和反馈校正的特征，有着良好的鲁棒性和抗干扰性。该算法适用于渐近稳定的线性装置。对于不稳定的装置可先用常规PID(比例-积分-微分控制器)控制使其稳定，然后使用该算法；对于弱非线性装置，可先在工作点处线性化。

ARM嵌入式系统高性能、扩展接口丰富、廉价、低功耗、稳定性高等特点。已经越来越广泛的应用到民用、工业、军事等各个领域。基于ARM开发的硬件电路将作为模型预测控制算法的载体。

自20世纪70年代至今，已经陆续有四代应用于工业的模型预测控制软件问世。这些商品化的大型软件价格昂贵，对于中小企业和小型项目来说是难以承受的。由于模型预测控制算法的计算量大，很难集成到小型控制器中，限制了模型预测控制的发展和推广。

因此，有必要提供一种改进的动态矩阵控制方法和相应的系统和装置来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一套成本低廉，性能优越的模型预测控制算法和装置系统，用来替代昂贵的大型软件甚至直接取代传统的PID控制器，通过对采用一般的控制方法控制效果差的系统进行控制，能解决一些工业上的控制难点，提高产品质量，降低企业的成本，提高经济效益。

为了实现上述发明目的，本发明的方法采用的技术方案如下：

基于ARM的嵌入式模型预测控制方法，采用动态矩阵控制算法，包括以下步骤：

(1)首先采集被控对象的单位阶跃响应数据a_i＝a(iT)，i＝1，2，L，如果这个被控对象是渐近稳定的，那么这个响应的数据在N个采样周期(t_N＝NT)之后趋近于一个常数，因此，a＝[a₁ L a_N]^T描述了被控对象的动态信息，N为建模时域；

(2)在连续的控制增量作用下，未来时刻的输出可表示为i＝1，2，L，N，其中，是自由响应，y的下标表示控制作用变化的次数，k+i|k表述k时刻对k+i时刻的预测，M是控制时域；

(3)求解优化控制目标可得其中，ω_p(k)＝[ω(k+1)L ω(k+P)]^T，P是预测时域，误差加权矩阵Q＝diag(q₁，L，q_P)，控制作用加权矩阵R＝diag(r₁，L，r_M)，d^T＝C^T(A^TQA+R)^-1A^TQ＝[d₁ L d_p]，C^T＝[1 0 L 0]；带校正加权阵的求解结果为其中，h＝[h_i L h_N]^T称为校正向量；

(4)在步骤(3)的基础上，设定控制增量Δu，LΔu(k+M-1)在M步内向0收敛，M步以后的控制增量为0，这样控制增量将重新表示为ΔU(k)＝A_xΔu(k)，预测输出表示为