串級(jí)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制設(shè)計(jì)與性能分析.pdf

1、近年來(lái)，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(guò)程日趨復(fù)雜化，通常具有非線性、時(shí)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(chǎng)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(guò)程對(duì)象具有較大的容量滯后，負(fù)荷變化較大或其他擾動(dòng)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(shí)，在生產(chǎn)需求的推動(dòng)下串級(jí)控制就應(yīng)運(yùn)而生了。同時(shí)，PID控制雖然應(yīng)用廣泛，但對(duì)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(duì)于存在較大滯后的

2、對(duì)象，PID控制器不能進(jìn)行延時(shí)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(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)和控制算法受到了極大的挑戰(zhàn)。
　　 針對(duì)上述問(wèn)題，提出了串級(jí)廣義預(yù)測(cè)控制算法。廣義預(yù)測(cè)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(kāi)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(cè)控制具有其鮮明特征，是一種基于模型、滾動(dòng)實(shí)施并結(jié)合反饋校正的優(yōu)化控制算法。預(yù)測(cè)控制汲取了優(yōu)化控制的思想，利用滾動(dòng)的有限時(shí)段優(yōu)化取代了一成不

3、變的全局優(yōu)化，因而能及時(shí)糾正擾動(dòng)和模型失配給系統(tǒng)帶來(lái)的影響。
　　 文中給出了GPC算法的具體推導(dǎo)過(guò)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(dòng)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(jì)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(guò)一個(gè)特殊的控制器抓住了串級(jí)控制的特征，僅僅使用一個(gè)控制器導(dǎo)

4、出了性能指標(biāo)函數(shù)的最小化，并只通過(guò)一個(gè)控制器調(diào)節(jié)。與傳統(tǒng)的由內(nèi)外環(huán)兩個(gè)分離的控制器組成的串級(jí)回路相比較，這是一個(gè)重要的區(qū)別。除了簡(jiǎn)化和減少計(jì)算時(shí)間，在抵制內(nèi)環(huán)擾動(dòng)時(shí)，CGPC可以提供平滑的外環(huán)回路性能，因?yàn)閮蓚€(gè)要求被壓縮到了同一個(gè)性能指標(biāo)函數(shù)中。這個(gè)簡(jiǎn)化也體現(xiàn)在減少調(diào)節(jié)參數(shù)的個(gè)數(shù)上，同時(shí)也提高了其應(yīng)用性。
　　 然而，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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?yàn)榇?jí)預(yù)測(cè)器的應(yīng)用在性能指標(biāo)