雙層結(jié)構(gòu)DMCMPC概述與展望-2019年文檔

1、雙層結(jié)構(gòu)DMCMPC述與展望： The model predictive control has been developed for more than 40 years. In order to solve the difficult problems such as multi-variable control in industrial process ， the industrial predictive control technology has adopted the double layer structure and has become the mainstream. T

2、he two-layer structure refers to the steady-state target calculation layer or the steady-state optimization layer ( upper layer )and the dynamic control layer (lower layer ). Of the double model predictive control and double layer structure dynamic matrix control are introduced ， and the research si

3、tuation of the past 10 years (2007-2017 ) for double structure dynamic matrix control algorithm and double layer structure model predictive control are summarized， finally， the double model predictive controland double layer structure dynamic matrix control is analyzed ， discussed and prospected.0 引

4、言模型預(yù)測控制(Model predictive control, MPC 是一種 基于模型的控制算法的總稱， 誕生于上世紀(jì)七十年代， 至今（ 2017 年）已經(jīng)經(jīng)過了 40 多年的發(fā)展。模型預(yù)測控制不是純粹的理論 研究產(chǎn)物，而是在工業(yè)實(shí)踐的過程當(dāng)中誕生和逐步發(fā)展的控制方 法。預(yù)測控制理論及方法在復(fù)雜工業(yè)過程中已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用 并且取得了巨大的成功， 這些成果都有效地證明了在處理具有復(fù) 雜約束性的優(yōu)化問題上，預(yù)測控制理論與方法發(fā)揮著很大的作 用。對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)過程來說， 主流的預(yù)測控制技術(shù)就是雙層結(jié)構(gòu) 模型預(yù)測控制(雙層結(jié)構(gòu) MPC，它是作為分層遞階結(jié)優(yōu)化控制 系統(tǒng)中的一個(gè)部分而存在的， 其中

5、包括用于完成基于穩(wěn)態(tài)模型的 設(shè)定值優(yōu)化的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算模塊(SSTC、完成基于動(dòng)態(tài)控制模 型的設(shè)定值跟蹤的動(dòng)態(tài)控制模塊以及從SSTC和動(dòng)態(tài)控制模塊中抽取的用于完成開環(huán)穩(wěn)態(tài)和開環(huán)動(dòng)態(tài)預(yù)測值的計(jì)算估計(jì)問題的 預(yù)測模塊。雙層模型預(yù)測控制的上一層是實(shí)時(shí)優(yōu)化層( Real TimeOptimization ，RTO，通常采用非線性穩(wěn)態(tài)模型，其下一層是 PID 控制，最底層就是被控對(duì)象 1 。同時(shí)，對(duì)于動(dòng)態(tài)矩陣控制(Dynamic Matrix Control， DMC這一模型預(yù)測控制的一種重要典型算法的研究也具有重要意義。1 雙層結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)矩陣控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中， 簡單常規(guī)的控制方法往往難以滿足大型 復(fù)雜

6、工業(yè)系統(tǒng)的控制要求， 所以在很多大型復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)中， 通 常使用三層結(jié)構(gòu)， 其中間一層就是雙層結(jié)構(gòu)模型預(yù)測控制， 雙層 模型預(yù)測控制算法中最常用的就是雙層結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)矩陣控制。例如文獻(xiàn)2中使用了穩(wěn)態(tài)Kalman濾波器來對(duì)雙層結(jié)構(gòu)模 型預(yù)測控制中的開環(huán)預(yù)測模塊進(jìn)行了解釋， 得到與非基于 Kalman 濾波導(dǎo)出的開環(huán)預(yù)測對(duì)應(yīng)和等價(jià)的結(jié)果， 然后將得出的結(jié)果與多 篇文獻(xiàn)中應(yīng)用其他方法得出的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比并介紹了不同點(diǎn)， 最后對(duì)雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測控制的整體策略以重油分餾塔模型為對(duì)象 進(jìn)行了仿真，然后對(duì)改造后的重油分餾塔模型進(jìn)行了積分輸出 Kalman 濾波仿真，驗(yàn)證了所得結(jié)論的有效性。在文獻(xiàn)3中，作者僅針對(duì)穩(wěn)定

7、 CV (被控變量，Controlled Variable )的情況進(jìn)行研究， 給出一種雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測控制的整體 解決方案。作者首先針對(duì)式( 1)所示的有限階躍響應(yīng)模型進(jìn)行 研究，并在考慮了反饋校正的情況下進(jìn)行了開換預(yù)測和閉環(huán)預(yù) 測，( 1)其中，S分別為針對(duì)操作變量u和干擾v的階躍響應(yīng)系數(shù)矩 陣，滿足，？坌 i ?叟 0。令 yfr (k+p|k )為 u (k+i-1|k ) =0, v (k+i ) =0, 1 ?燮i ?燮p的情況下對(duì)y (k+p|k )的預(yù)測值， 稱為自由預(yù)測值。然后作者給出了多優(yōu)先級(jí)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算算法， 首先作者對(duì)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算的問題進(jìn)行了描述, 然后將約束統(tǒng)一表 達(dá)為關(guān)

8、于MV (操作變量，Manipulated Variable )穩(wěn)態(tài)增量的 形式，然后針對(duì)SSTC算法的可行性階段、不含軟約束情況的經(jīng) 濟(jì)優(yōu)化階段和含有最低優(yōu)先級(jí)軟約束情況的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化階段進(jìn)行 了研究求解，求得了當(dāng)前時(shí)刻 CV的設(shè)定值。然后作者在選取了 性能指標(biāo)和約束松弛量的情況下研究了基于二次規(guī)劃的動(dòng)態(tài)矩陣控制， 并且對(duì)重油分餾塔模型、 紙機(jī)模型以及氯乙烯分餾塔模 型進(jìn)行了仿真研究， 整理得出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)雙層模型預(yù)測控制的 方案并將其軟件化。 在文獻(xiàn) 4 中，由于市場對(duì)帶鋼質(zhì)量 的要求愈發(fā)嚴(yán)格， 作者針對(duì)帶鋼熱軋機(jī)的液壓活套系統(tǒng)中影響熱 軋帶鋼質(zhì)量和帶鋼穿線的活套高度和帶鋼張力這兩個(gè)變量， 提

9、出 了一種動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測控制策略。 作者首先對(duì)帶鋼熱軋機(jī)的液壓活 套系統(tǒng)進(jìn)行了建模， 其中又分為帶鋼張力系統(tǒng)模型和活套高度系 統(tǒng)模型， 然后對(duì)作動(dòng)器進(jìn)行了建模， 得出了液壓活套系統(tǒng)的傳遞 函數(shù)矩陣。然后作者對(duì)在活套控制系統(tǒng)中常用的 PI 控制以及動(dòng) 態(tài)矩陣控制進(jìn)行了簡要總結(jié)， 并將動(dòng)態(tài)矩陣控制應(yīng)用在了液壓活 套控制系統(tǒng)中， 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿 真研究。結(jié)果表明在模型匹配時(shí)傳統(tǒng)控制器和DMC空制器都具有良好效果， 而在模型不匹配時(shí)， 傳統(tǒng)控制器的超調(diào)量以及上升時(shí) 間陡增，不能滿足生產(chǎn)過程的要求， 而DMC空制器則將超調(diào)量限 制在0.08%以內(nèi)，且上升時(shí)間小于 48.6m

10、s，仍然具有良好效果。由于在線計(jì)算負(fù)擔(dān)沉重， 模型預(yù)測控制系統(tǒng)往往需要高性能 計(jì)算機(jī)， 為了解決這一問題， 將模型預(yù)測控制系統(tǒng)擴(kuò)展到更多的 低成本的計(jì)算應(yīng)用場合，例如文獻(xiàn) 5 中就提到在現(xiàn)場可編程門 陣列（Field Programmable Gate Array , FPGA 系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了 模型預(yù)測控制。作者首先對(duì)動(dòng)態(tài)矩陣控制算法進(jìn)行了詳細(xì)介紹； 然后針對(duì)現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)矩陣控制器， 在這部 分中作者首先研究了動(dòng)態(tài)矩陣控制的二次規(guī)劃算法然后在此基礎(chǔ)上基于FPGA進(jìn)行了動(dòng)態(tài)矩陣控制的設(shè)計(jì)。接下來作者對(duì)動(dòng)態(tài) 矩陣控制器在FPGA上的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了程序上和主要模塊的詳細(xì)介 紹。最后作者還

11、對(duì)動(dòng)態(tài)矩陣控制器進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明， 動(dòng)態(tài)矩陣控制器的計(jì)算效率和精度都能夠滿足FPGA的并行計(jì)算能力。文獻(xiàn)6 中也提出了將動(dòng)態(tài)矩陣控制應(yīng)用于針對(duì)提升帶鋼生 產(chǎn)質(zhì)量上的方法， 不過是針對(duì)帶鋼平整度這一衡量帶鋼質(zhì)量的重 要指標(biāo)來進(jìn)行研究的。 平整度控制是帶鋼軋制的關(guān)鍵和高難度技 術(shù)。限制平整度控制技術(shù)改進(jìn)的難點(diǎn)在于平整度理論以及控制數(shù) 學(xué)模型的研究滿足不了技術(shù)發(fā)展的要求。建立簡單，快速，精確 的顯式控制模型已成為平面控制技術(shù)發(fā)展的迫切需要。 作者在考 慮軋制過程參數(shù)變化對(duì)有效動(dòng)態(tài)矩陣的影響的基礎(chǔ)上， 提出了基 于有效動(dòng)態(tài)矩陣法的平面控制動(dòng)態(tài)有效矩陣的概念。 引入有效矩 陣生成的三種方法： 基

12、于平坦度預(yù)測模型的計(jì)算方法； 基于軋制 過程數(shù)據(jù)挖掘的計(jì)算方法以及基于網(wǎng)絡(luò)模型的直接計(jì)算方法。 在 此基礎(chǔ)上構(gòu)建了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效矩陣模型， 對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了 優(yōu)化，解決了動(dòng)態(tài)有效矩陣的高速計(jì)算問題。 然后提出了基于動(dòng) 態(tài)有效矩陣的冷連軋機(jī)平整度控制方案并在五機(jī)架四輥冷連軋 機(jī)組上分別采用靜態(tài)有效矩陣和動(dòng)態(tài)有效矩陣控制方案， 進(jìn)行了 傾斜輥和彎輥控制方法的工業(yè)試驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 動(dòng)態(tài)有效矩 陣的控制效果遠(yuǎn)優(yōu)于靜態(tài)有效矩陣。 作者在本文中提出了冷連軋 機(jī)軋制過程動(dòng)態(tài)平整度控制的新思路和新方法， 并開發(fā)了平面控制有效矩陣法的理論和模型。2 雙層結(jié)構(gòu)模型預(yù)測控制近十年來，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，人類社

13、會(huì)不斷發(fā)展，人們對(duì) 于控制的要求越來越高， 以前常用常規(guī)模型預(yù)測控制在設(shè)定值選 取等方面存在缺陷并且越來越難以滿足工業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)于穩(wěn) 定性、安全性、效費(fèi)比等性能指標(biāo)的越來越高的要求；雙層結(jié)構(gòu) MPC（雙層結(jié)構(gòu)模型預(yù)測控制）的出現(xiàn)可以很好的彌補(bǔ)以往使用 的常規(guī)模型預(yù)測控制的缺點(diǎn)， 已經(jīng)成為了現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)過程中 所應(yīng)用的主流模型預(yù)測控制技術(shù)， 其中包括了動(dòng)態(tài)控制模塊、 目 標(biāo)計(jì)算模塊（SSTC和預(yù)測模塊。例如在文獻(xiàn) 7 中，首先作者列出了雙層結(jié)構(gòu)模型預(yù)測控制 算法的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化策略，策略的第一部分為基于過程的穩(wěn)態(tài)信息： 目標(biāo)設(shè)定為極大化過程的經(jīng)濟(jì)效益， 之后通過穩(wěn)態(tài)優(yōu)化來得出輸 入以及輸出的最優(yōu)工

14、作點(diǎn)， 此時(shí)我們?cè)谕荒Ｐ偷目刂扑惴▓?zhí)行 周期內(nèi)使用之前得到的最優(yōu)工作點(diǎn)作為輸入以及輸出的設(shè)定點(diǎn)； 策略的第二部分則是在同一控制周期內(nèi)使用無約束的模型預(yù)測 控制算法從而達(dá)到動(dòng)態(tài)控制的目的。 然后，作者給出了雙層模型 預(yù)測控制中的區(qū)間控制策略， 也就是在控制時(shí)不用將輸出準(zhǔn)確控 制在某一個(gè)點(diǎn)上，而是將輸出保持在一個(gè)范圍中。最后，文獻(xiàn)作 者對(duì)于雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測控制以及區(qū)間預(yù)測控制分別進(jìn)行了機(jī)理分 析，從兩個(gè)方面（定性和定量）分析比較了以上兩種控制的異同 點(diǎn)，驗(yàn)證得出這兩種不同的方法在一定情況下具有一致性， 并論 述了雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測控制相對(duì)于單層結(jié)構(gòu)區(qū)間控制的先進(jìn)性。與文獻(xiàn) 5 類似，為了降低工業(yè)大系統(tǒng)模型

15、預(yù)測控制 (ModelPredictive Control , MPC的在線計(jì)算復(fù)雜度，同時(shí)滿足系統(tǒng) 對(duì)全局優(yōu)化性能的要求，文獻(xiàn) 8 中作者提出了一種分散控制、 集中優(yōu)化的雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測控制策略。 本文首先對(duì)雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測控 制進(jìn)行了概述， 然后以石化系統(tǒng)過程生產(chǎn)為例， 給出了如圖 2 所 示的大型工業(yè)系統(tǒng)的示意圖， 并在工業(yè)大系統(tǒng)優(yōu)化控制中雙層結(jié) 構(gòu)模型預(yù)測控制的全局性以及計(jì)算量過大的問題的基礎(chǔ)上形成 了一種優(yōu)化控制策略， 該優(yōu)化控制策略包括分散控制策略和集中 優(yōu)化策略；這種優(yōu)化控制策略對(duì)于工業(yè)大系統(tǒng)的優(yōu)化問題仍采用 了集中優(yōu)化方法， 因此其全局優(yōu)化性可以得到足夠的保證， 每個(gè) MPC分別利用其

16、相對(duì)應(yīng)的子過程數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制計(jì)算， 與此同時(shí)采用把前饋控制器添加在子控制器之間的方法來對(duì)中 間變量擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償， 使得子控制器并非完全相互獨(dú)立， 而是具 有單向的協(xié)同性。 在分散控制策略中又包括了對(duì)分散控制算法的 描述以及分析； 最后作者以殼牌重油分餾塔模型為例進(jìn)行了仿真 分析，證明了文中提出的優(yōu)化控制策略具有較好的全局優(yōu)化性 能。文獻(xiàn)9 主要討論了積分過程的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化問題。作者同樣首 先介紹了雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測控制， 然后對(duì)積分過程的速率平衡約束進(jìn) 行討論并將在速率平衡的情況下的狀態(tài)定義為“臨界穩(wěn)態(tài)”， 然 后?對(duì)積分過程的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化進(jìn)行了研究，其首先對(duì)積分過程建立 了“點(diǎn)”模型， 然后討論了基于“點(diǎn)”模型的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化， 然后對(duì) “點(diǎn)”模型的誤差進(jìn)行了分析并在此基礎(chǔ)上使用了迭代補(bǔ)償法 改進(jìn)了經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型， 最后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證， 證明了采用迭代補(bǔ) 償?shù)姆?/p>