[发明专利]一种工业过程约束预测先进控制方法

权利要求书

1.一种工业过程约束预测先进控制方法，包括如下步骤：

步骤1、建立工业过程单输入单输出模型；

步骤2、设计工业过程控制器；

所述步骤具体如下：

1-1.建立单输入单输出模型如下：

x(k+1)＝A(k)x(k)+B(k)u(k)

y(k+1)＝Cx(k+1)

其中k表示采样时刻；x(k)、x(k+1)分别表示系统第k时刻、第k+1时刻的状态；y(k+1)表示系统第k+1时刻的输出；u(k)表示系统第k时刻控制输入；A(k)、B(k)分别表示系统第k时刻的两个对应参数矩阵；C是具有适当维数的系统矩阵；

1-2.当执行器出现部分故障时的控制量输入形式如下：

u_F(k)＝αu(k)

其中0≤α≤1表示执行器故障程度；u_F(k)是第k时刻存在故障时的控制量输入；

1-3.由步骤1-1和步骤1-2得到新的模型：

x(k+1)＝A(k)x(k)+B(k)u_F(k)

y(k+1)＝Cx(k+1)

1-4.将步骤1-3扩展成增量形式如下：

x_m(k+1)＝A_m(k)x_m(k)+B_m(k)u_F(k)

y_m(k+1)＝C_mx_m(k+1)

其中C_m＝[0,1],x_m(k)＝[Δx(k)y(k)]；A_m(k)、B_m(k)分别表示系统第k时刻的增量形式参数矩阵，C_m表示具有适当维数的增量形式系统矩阵；x_m(k)、x_m(k+1)分别表示系统第k时刻、第k+1时刻的增量形式状态；y_m(k+1)表示系统第k+1时刻的增量形式输出,Δx(k)表示第k时刻的状态增量；y(k)表示第k时刻的输出；

1-5.引入目标函数来跟踪参考轨迹如下:

其中J_∞(k)表示目标函数；表示在A(k+i)或B(k+i)属于一定维数矩阵Ω且Δu(k+i|k)最大值条件下J_∞(k)的最小值；T表示转置符号；i表示某一任意时间段，表示从0时间段到无穷时间段的累加；y(k+i|k)、Δu(k+i|k)表示第k时刻下第k+i时刻的实际输出和实际输入增量；y_r(k+i)表示第k+i时刻的预测输出；Q表示输出跟踪误差的权重矩阵；R表示控制输入增量的权重矩阵；

1-6.将目标函数扩展为增量形式如下：

其中x_m(k+i|k)表示第k时刻下第k+i时刻的实际状态增量；x_r(k+i)表示第k+i时刻的预测状态增量；表示状态跟踪误差的权重矩阵。

2.如权利要求1所述的工业过程约束预测先进控制方法，其特征在于：

步骤2具体如下：

2-1.定义跟踪误差：

e(k)＝y(k)-y_r(k)

其中e(k)表示第k时刻的输出误差，y(k)、y_r(k)分别表示第k时刻的实际输出和预测输出；

2-2.将步骤2-1的公式变化为预测形式：

e(k+1)＝e(k)+CA(k)Δx(k)+CB(k)Δu(k)

其中e(k+1)表示第k+1时刻的输出误差；Δx(k)表示第k时刻的状态增量，Δu(k)表示第k时刻的输入增量；

2-3.根据步骤2-2可以得到增量状态空间模型：

z(k+1)＝A_z(k)z(k)+B_z(k)Δu(k)

Δy(k+1)＝C_zz(k+1)

其中C_z＝[C 0]；A_z(k)、B_z(k)分别表示增量状态空间模型的第k时刻的两个对应参数矩阵；C_z是状态空间模型的具有适当维数的系统矩阵；z(k)、z(k+1)是第k时刻、第k+1时刻系统的增量形式状态；Δy(k+1)表示第k+1时刻的输出增量；

2-4.结合步骤1-6和步骤2-3提出目标函数跟踪参考值：

其中z(k+1|k)表示第k时刻下第k+1时刻的预测扩展状态；

2-5.引入约束条件：

其中|Δu(k+i|k)|、|Δy(k+i|k)|分别表示第k时刻下第k+i时刻输入增量绝对值和输出增量绝对值；Δu_max、Δy_max分别表示输入和输出的最大上限；

2-6.由步骤2-3、步骤2-4和步骤2-5可得更新律Δu(k+i|k)如下：

Δu(k+i|k)＝F(k)z(k+i|k)

其中F(k)＝YS^-1是第k时刻的增益系数矩阵；Y、S^-1是两个根据目标函数取值的系数矩阵；

2-7.结合步骤2-1到步骤2-6得到工业过程最优控制律Δu(k+i|k)并作用于被控对象。