动态矩阵控制算法的研究及应用课件

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1、动态矩阵控制算法研动态矩阵控制算法研究及其应用究及其应用导导导导 师师师师:张彦军张彦军张彦军张彦军答辩人答辩人答辩人答辩人:张晶张晶张晶张晶专专专专 业业业业:检测技术与自动化装置检测技术与自动化装置检测技术与自动化装置检测技术与自动化装置第1页，共31页。论文结构论文结构论文结构论文结构1234研究背景及发展趋势研究背景及发展趋势动态矩阵控制算法研究动态矩阵控制算法研究设计设计PID-DMC控制器控制器预测函数控制预测函数控制总结总结5第2页，共31页。第3页，共31页。1.11.1研究背景研究背景研究背景研究背景复杂的工业生产过程控制机理比较复杂，复杂的工业生产过程控制机理比较复杂，利用

2、现代控制理论难以建立精确的模型利用现代控制理论难以建立精确的模型预测控制以预测模型为基础，采用二预测控制以预测模型为基础，采用二次在线滚动优化性能指标和反馈校正的次在线滚动优化性能指标和反馈校正的策略，来克服受控对象建模误差和结构、策略，来克服受控对象建模误差和结构、参数以及环境等不确定因素的影响，有参数以及环境等不确定因素的影响，有效地弥补了现代控制理论对复杂受控对效地弥补了现代控制理论对复杂受控对象所无法避免的不足之处。象所无法避免的不足之处。第4页，共31页。1.2 1.2 发展趋势发展趋势发展趋势发展趋势将预测控制与各种先进控制策略结合起来将预测控制与各种先进控制策略结合起来的先进预测

3、控制的先进预测控制将智能控制策略与典型的预测控制算法相将智能控制策略与典型的预测控制算法相结合的智能预测控制系统结合的智能预测控制系统其他的新型的预测控制方法其他的新型的预测控制方法第5页，共31页。动态矩阵控制算法研究动态矩阵控制算法研究第6页，共31页。2.12.1动态矩阵算法的基本原理动态矩阵算法的基本原理动态矩阵算法的基本原理动态矩阵算法的基本原理第7页，共31页。预测模型预测模型 滚动优化滚动优化 DMC是一种以优化确定控制策略的算法。在每个时刻是一种以优化确定控制策略的算法。在每个时刻k，都要确定从该时刻起，都要确定从该时刻起M个控制增量，使被控对象在其个控制增量，使被控对象在其作

4、用下未来作用下未来P个时刻的输出值可以接近于期望值。个时刻的输出值可以接近于期望值。反馈校正反馈校正 由于存在模型失配、环境干扰等不确定因素，计算由于存在模型失配、环境干扰等不确定因素，计算出来的预测值可能会偏离实际值，因此需要及时利出来的预测值可能会偏离实际值，因此需要及时利用实时信息进行反馈校正。用实时信息进行反馈校正。第8页，共31页。2.22.2动态矩阵控制的算法实现动态矩阵控制的算法实现动态矩阵控制的算法实现动态矩阵控制的算法实现第9页，共31页。2.32.3动态矩阵控制的参数选取动态矩阵控制的参数选取动态矩阵控制的参数选取动态矩阵控制的参数选取采样周期采样周期T T和模型长度和模型

5、长度N NT T的选择要考虑快速抑制干扰的影响；的选择要考虑快速抑制干扰的影响；应该与模型长度应该与模型长度N N的数值相协调。的数值相协调。优化时域和误差权系数优化时域和误差权系数优化时域的大小对于控制的稳定性和系统的快速性有很优化时域的大小对于控制的稳定性和系统的快速性有很大的影响大的影响误差权系数的大小反映了我们对未来时刻期望值的重视误差权系数的大小反映了我们对未来时刻期望值的重视程度。程度。控制时域和控制权系数控制时域和控制权系数校正参数校正参数柔化因子柔化因子 第10页，共31页。2.42.4仿真研究仿真研究仿真研究仿真研究以喷雾干燥塔为模型，进行以喷雾干燥塔为模型，进行DMC仿真研

6、究仿真研究第11页，共31页。喷雾干燥器的机理是：当表面湿润的固体颗喷雾干燥器的机理是：当表面湿润的固体颗粒进入干燥塔后，如果塔内干、湿温度不粒进入干燥塔后，如果塔内干、湿温度不变，则微粒上的蒸发速率变，则微粒上的蒸发速率R为常数。因为在为常数。因为在这种状态，蒸发完全在雾状料液表面进行，这种状态，蒸发完全在雾状料液表面进行，蒸发速率不会随微粒总含水量蒸发速率不会随微粒总含水量x变化，工艺变化，工艺上被称为恒速干燥阶段。当微粒一旦生成上被称为恒速干燥阶段。当微粒一旦生成干燥表面，则干燥速率干燥表面，则干燥速率R便开始下降。因为便开始下降。因为此时被蒸发的水分必须从微粒内部扩散至此时被蒸发的水分

7、必须从微粒内部扩散至表面，当含水量达到平衡点时，干燥速率。表面，当含水量达到平衡点时，干燥速率。这一过程被称为是降速干燥阶段。这一过程被称为是降速干燥阶段。第12页，共31页。仿真结果比较第13页，共31页。2.52.5动态矩阵控制系统的状态空间分析动态矩阵控制系统的状态空间分析动态矩阵控制系统的状态空间分析动态矩阵控制系统的状态空间分析 传统的建模过程是通过阶跃响应的传统的建模过程是通过阶跃响应的采样值来辨识对象的阶数，然后再确采样值来辨识对象的阶数，然后再确定其状态空间。而动态矩阵空间的状定其状态空间。而动态矩阵空间的状态空间模型是不可控的，因而需要构态空间模型是不可控的，因而需要构造状态

8、观测器重构预测器，从而形成造状态观测器重构预测器，从而形成带观测器的状态反馈形式。带观测器的状态反馈形式。第14页，共31页。2.62.6动态矩阵控制的动态特性分析动态矩阵控制的动态特性分析动态矩阵控制的动态特性分析动态矩阵控制的动态特性分析由于由于DMC采用了非最小化的模型，从而控制采用了非最小化的模型，从而控制器也是非最小化的。器也是非最小化的。DMC对对象的补偿性对对象的补偿性质可以使预测控制器最小化，设置新的控质可以使预测控制器最小化，设置新的控制极点，从而改善系统的动态系统。制极点，从而改善系统的动态系统。对于无纯滞后和非最小相位性能时，用一步对于无纯滞后和非最小相位性能时，用一步优

9、化的方式进行优化控制。优化的方式进行优化控制。而对于纯滞后的对象，就在而对于纯滞后的对象，就在DMC控制中把优控制中把优化时域比无滞后时延伸一下就相当于无滞化时域比无滞后时延伸一下就相当于无滞后部分的后部分的DMC控制。控制。第15页，共31页。2.72.7动态矩阵控制的稳定性和鲁棒性分析动态矩阵控制的稳定性和鲁棒性分析动态矩阵控制的稳定性和鲁棒性分析动态矩阵控制的稳定性和鲁棒性分析模型无失配时的稳定性分析模型无失配时的稳定性分析由于在由于在DMC控制中，其被控对象总是稳定控制中，其被控对象总是稳定的，要使系统对输入和扰动都有稳定的响的，要使系统对输入和扰动都有稳定的响应，则需要控制器和滤波器

10、都是稳定的。应，则需要控制器和滤波器都是稳定的。模型失配时的鲁棒性分析模型失配时的鲁棒性分析模型失配时需要加滤波器进行校正模型失配时需要加滤波器进行校正第16页，共31页。设计设计PID-DMC控制器控制器第17页，共31页。3.13.1设计背景设计背景设计背景设计背景PID控制算法的原理简单、结构简明，因此在大多数过控制算法的原理简单、结构简明，因此在大多数过程控制系统中比较常见，然而在处理复杂控制系统时，程控制系统中比较常见，然而在处理复杂控制系统时，难以达到理想的控制品质，无法满足控制要求。难以达到理想的控制品质，无法满足控制要求。DMC设计通常基于一个较低阶的线性近似模型，而复杂的工设

11、计通常基于一个较低阶的线性近似模型，而复杂的工业过程，在模型阶次、非线性、环境扰动等方面存在较大业过程，在模型阶次、非线性、环境扰动等方面存在较大的不确定性，仅仅用的不确定性，仅仅用DMC设计控制系统达不到理想的设计控制系统达不到理想的控制结果。控制结果。把把PID控制和控制和DMC控制结合起来，从相对应的方面改控制结合起来，从相对应的方面改变用来约束的目标函数，使之成为变用来约束的目标函数，使之成为PID形式，因而形形式，因而形成一种新的预测控制方法（成一种新的预测控制方法（PID-DMC）。）。第18页，共31页。3.23.2设计方法设计方法设计方法设计方法将将PID控制和控制和DMC控制

12、结合起来，采用控制结合起来，采用加入比例、积分、微分的新的目标函数，加入比例、积分、微分的新的目标函数，使得推导的控制器有新的比例、积分、使得推导的控制器有新的比例、积分、微分的特征。微分的特征。在过程控制中，先取出被控对象的一部分在过程控制中，先取出被控对象的一部分作为副对象，形成作为副对象，形成DMC闭环，然后将闭闭环，然后将闭环和被控对象的另一部分作为广义对象，环和被控对象的另一部分作为广义对象，再用再用PID进行控制进行控制第19页，共31页。3.3 3.3 仿真过程仿真过程仿真过程仿真过程第20页，共31页。3.43.4仿真结果仿真结果仿真结果仿真结果由于系统具有一定的自衡能力，为了

13、简于计由于系统具有一定的自衡能力，为了简于计算，将系统看成是线性系统。采用方波输算，将系统看成是线性系统。采用方波输入进行仿真，仿真结果如下入进行仿真，仿真结果如下第21页，共31页。3.53.5结论结论结论结论从图中可以看出，算法改进后有三个可调参从图中可以看出，算法改进后有三个可调参数，对参数的调节可以使得改进后的算法数，对参数的调节可以使得改进后的算法比基本算法在趋于稳定状态过程中能更快比基本算法在趋于稳定状态过程中能更快速跟踪系统速跟踪系统。因此参数选取的范围和各参。因此参数选取的范围和各参数对控制结果的影响显得更为重要，为以数对控制结果的影响显得更为重要，为以后的工作打下了基础。后的

14、工作打下了基础。第22页，共31页。预测函数控制预测函数控制第23页，共31页。4.1 4.1 预测函数控制算法的基本原理预测函数控制算法的基本原理预测函数控制算法的基本原理预测函数控制算法的基本原理预测函数控制被称为第三代控制算法，其基预测函数控制被称为第三代控制算法，其基本特征为本特征为基函数基函数预测模型预测模型参考轨迹参考轨迹误差校正误差校正滚动优化滚动优化第24页，共31页。4.24.2一阶加纯时滞的预测函数控制方法一阶加纯时滞的预测函数控制方法一阶加纯时滞的预测函数控制方法一阶加纯时滞的预测函数控制方法一阶加纯滞后过程是工业系统中的典型过程。一阶加纯滞后过程是工业系统中的典型过程。

15、在实际工业过程中，许多高阶过程可以用在实际工业过程中，许多高阶过程可以用一阶加纯滞后过程来近似，因此，分析和一阶加纯滞后过程来近似，因此，分析和研究一阶加纯滞后过程的控制问题具有重研究一阶加纯滞后过程的控制问题具有重要意义。而对于纯滞后的过程，采用常规要意义。而对于纯滞后的过程，采用常规PID控制为了维持系统的稳定性，必须将控控制为了维持系统的稳定性，必须将控制作用整定的很弱制作用整定的很弱。采用预测函数，可以通过滚动优化来解决该采用预测函数，可以通过滚动优化来解决该问题。问题。第25页，共31页。当设定值做阶跃变化时，通常只选定一个基当设定值做阶跃变化时，通常只选定一个基函数就可以满足要求。

16、函数就可以满足要求。当设定值包含斜坡信号时，应选取两个函数当设定值包含斜坡信号时，应选取两个函数来满足要求。即阶跃和斜坡函数。来满足要求。即阶跃和斜坡函数。第26页，共31页。4.34.3仿真研究仿真研究仿真研究仿真研究选取一阶加纯滞后的对象的传递函数为选取一阶加纯滞后的对象的传递函数为设置预测时域，优化时域，设定扰动设置预测时域，优化时域，设定扰动第27页，共31页。4.44.4总结总结总结总结第28页，共31页。4.54.5结论结论结论结论从上图可以看出，由于基函数概念的引入，从上图可以看出，由于基函数概念的引入，PFC比比PID控制的输出跟踪快，控制误差小，控制的输出跟踪快，控制误差小，

17、有更好的抗干扰能力。有更好的抗干扰能力。第29页，共31页。全文总结全文总结全文总结全文总结本文主要对动态矩阵控制算法进行了研究，研究了各参数本文主要对动态矩阵控制算法进行了研究，研究了各参数的设定对控制结果的影响，同时对动态特性、稳定性和的设定对控制结果的影响，同时对动态特性、稳定性和鲁棒性进行了分析。同时针对动态矩阵控制在处理复杂鲁棒性进行了分析。同时针对动态矩阵控制在处理复杂时变系统时难以达到合理的控制结果，改变用来约束的时变系统时难以达到合理的控制结果，改变用来约束的目标函数，设计了目标函数，设计了PID-DMC控制器。但是由于控制过控制器。但是由于控制过程比较复杂，难以得到参数具体设置对控制系统的鲁棒程比较复杂，难以得到参数具体设置对控制系统的鲁棒性和稳定性的影响。性和稳定性的影响。预测函数控制是一种新型的控制算法，其研究有一定的理论预测函数控制是一种新型的控制算法，其研究有一定的理论意义，但是由于时间限制，对其研究不够深入，在以后的意义，但是由于时间限制，对其研究不够深入，在以后的工作中应该尽量对一些复杂对象进行预测函数控制。工作中应该尽量对一些复杂对象进行预测函数控制。第30页，共31页。第31页，共31页。