串級系統(tǒng)的預(yù)測控制設(shè)計與性能分析.pdf

1、近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中的工藝過程日趨復(fù)雜化，通常具有非線性、時變性、多變量、強(qiáng)耦合和不確定性等特點(diǎn)。單回路控制系統(tǒng)在很多場合下都能滿足生產(chǎn)工藝的要求穩(wěn)定地工作，但是如果過程對象具有較大的容量滯后，負(fù)荷變化較大或其他擾動比較劇烈，單回路控制系統(tǒng)將不可能達(dá)到很高的控制質(zhì)量。這時，在生產(chǎn)需求的推動下串級控制就應(yīng)運(yùn)而生了。同時，PID控制雖然應(yīng)用廣泛，但對模型的依賴性較強(qiáng)，必須建立在精確模型的基礎(chǔ)之上。而且對于存在較大滯后的

2、對象，PID控制器不能進(jìn)行延時補(bǔ)償。因此，傳統(tǒng)的PID單回路控制已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的需求，簡單的控制結(jié)構(gòu)和控制算法受到了極大的挑戰(zhàn)。
　　 針對上述問題，提出了串級廣義預(yù)測控制算法。廣義預(yù)測控制（GPC）是一種魯棒性強(qiáng)、能夠有效地克服系統(tǒng)滯后、可應(yīng)用于開環(huán)不穩(wěn)定非最小相位系統(tǒng)的先進(jìn)控制算法。預(yù)測控制具有其鮮明特征，是一種基于模型、滾動實施并結(jié)合反饋校正的優(yōu)化控制算法。預(yù)測控制汲取了優(yōu)化控制的思想，利用滾動的有限時段優(yōu)化取代了一成不

3、變的全局優(yōu)化，因而能及時糾正擾動和模型失配給系統(tǒng)帶來的影響。
　　 文中給出了GPC算法的具體推導(dǎo)過程，并將2GPC和2PID算法用于同一一階滯后模型，分別討論在階躍輸入、存在擾動和模型失配的情況下的性能，仿真結(jié)果表明2GPC控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)2PID控制。
　　 由于2GPC算法計算量大，又提出了CGPC控制算法，同樣基于基本的GPC控制器。但是其重要特性在于通過一個特殊的控制器抓住了串級控制的特征，僅僅使用一個控制器導(dǎo)

4、出了性能指標(biāo)函數(shù)的最小化，并只通過一個控制器調(diào)節(jié)。與傳統(tǒng)的由內(nèi)外環(huán)兩個分離的控制器組成的串級回路相比較，這是一個重要的區(qū)別。除了簡化和減少計算時間，在抵制內(nèi)環(huán)擾動時，CGPC可以提供平滑的外環(huán)回路性能，因為兩個要求被壓縮到了同一個性能指標(biāo)函數(shù)中。這個簡化也體現(xiàn)在減少調(diào)節(jié)參數(shù)的個數(shù)上，同時也提高了其應(yīng)用性。
　　 然而，在實際生產(chǎn)過程中總是受到不同的約束，如由于操作限制或安全因素造成的輸入和輸出約束。因為串級預(yù)測器的應(yīng)用在性能指標(biāo)