先進(jìn)控制在工業(yè)的應(yīng)用

1、,基于工業(yè)模型預(yù)測(cè)控制技術(shù) 模型算法MAC的介紹,北京化工大學(xué),一. 工業(yè)模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)—MPC的介紹 二. 模型算法控制MAC的基本原理 三. MAC的實(shí)際應(yīng)用,1.工業(yè)過程的特點(diǎn)： 多變量、非線性、強(qiáng)耦合 、大純滯后2.現(xiàn)代控制理論與方法： 精確的數(shù)學(xué)模型、最優(yōu)的性能指標(biāo) 、系統(tǒng)而精確的設(shè)計(jì)方法,一.（

2、1）工業(yè)模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)的發(fā)展背景,1. 20世紀(jì)70年代以來，經(jīng)典的最優(yōu)控制方法在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用并未見到很好的效果，其原因主要是精確數(shù)學(xué)模型的建立比較困難，當(dāng)實(shí)際過程有所變化時(shí)，控制系統(tǒng)的魯棒性較差。人們開始打破傳統(tǒng)方法的約束，找新的控制方法。2. 試圖面對(duì)工業(yè)過程的特點(diǎn)，尋找對(duì)模型要求低、綜合控制質(zhì)量好、在線計(jì)算方便的優(yōu)化控制新方法。3. (MPC—Model Predictive Control)模型預(yù)測(cè)控制算法就是在這

3、種背景下發(fā)展起來的一類計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制算法。,（2）工業(yè)模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)的發(fā)展,（3）預(yù)測(cè)控制MPC控制算法的分類,MPC,1.模型算法控制MAC,3.模型預(yù)測(cè)啟發(fā)控制（MPHC）,2.動(dòng)態(tài)矩陣控制DMC,4.預(yù)測(cè)控制（PC）,5.其它的控制算法,單輸入單輸出（SISO） 多輸入多輸出（MIMO無約束 有約束輸入輸出方

4、系統(tǒng) 非方系統(tǒng)線性 非線性常規(guī)預(yù)測(cè)控制 魯棒預(yù)測(cè)控制,（4）模型預(yù)測(cè)控制的發(fā)展方向,,,,,,1. 建模方便，不需要深入了解過程內(nèi)部機(jī)理，模型要求不高。2. 適用約束條件、大純滯后、非最小相位及非線性等過程。3.

5、 滾動(dòng)的優(yōu)化策略，較好的動(dòng)態(tài)控制效果。4. 算法核心 （1）預(yù)測(cè)過程未來輸出（2）滾動(dòng)優(yōu)化（3）誤差反饋校正,（5）預(yù)測(cè)控制的特點(diǎn),1.是一種基于非參數(shù)模型的預(yù)測(cè)控制2.采用有限脈沖響應(yīng)模型或有限階躍響應(yīng)模型作為過程預(yù)測(cè)模型，無須考慮模型結(jié)構(gòu)和階次，模型中可包含過程純時(shí)滯項(xiàng)。3.缺點(diǎn)： （1）不能描述不穩(wěn)定系統(tǒng)，不適用不穩(wěn)定對(duì)象。 （2）在線模型辨識(shí)比較困難。,二. 模型算法控制MAC的基本原理

6、,MAC模型算法基本工作過程：模型預(yù)測(cè) 滾動(dòng)優(yōu)化 反饋校正,MAC模型算法基本工作過程,在當(dāng)前時(shí)刻基于過程的動(dòng)態(tài)模型，對(duì)未來某時(shí)域內(nèi)的過程輸出做出預(yù)測(cè)，這些預(yù)測(cè)值是當(dāng)前和未來控制作用的函數(shù),按照某個(gè)目標(biāo)函數(shù)確定當(dāng)前和未來控制作用的大小，這些控制作用使未來輸出預(yù)測(cè)序列按照某個(gè)參考軌跡“最優(yōu)地”達(dá)到期望的輸出設(shè)定值，但是只輸出當(dāng)前的控制量,在下一時(shí)刻，根據(jù)最新實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)前一時(shí)刻的過程

7、輸出預(yù)測(cè)序列作出校正,,,預(yù)測(cè)模型的功能：根據(jù)被控對(duì)象的歷史信息和未來輸入，預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來響應(yīng)。預(yù)測(cè)模型形式：參數(shù)模型：如微分方程、傳遞函數(shù)、差分方程等非參數(shù)模型：如脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)模型等。,（1）模型預(yù)測(cè),1.基于模型的預(yù)測(cè)示意圖：,滾動(dòng)優(yōu)化模型預(yù)測(cè)控制是一種優(yōu)化控制算法，通過某一性能指標(biāo)的最優(yōu)來確定未來的控制作用。控制目的：通過某一性能指標(biāo)的最優(yōu), 確定未來的控制作用。優(yōu)化過程：隨時(shí)間推移在線優(yōu)化，反復(fù)進(jìn)行。

8、每一步實(shí)現(xiàn)的是靜態(tài)優(yōu)化。全局是動(dòng)態(tài)優(yōu)化。,（2）滾動(dòng)優(yōu)化,2.滾動(dòng)優(yōu)化示意圖：,（3）反饋校正,模型預(yù)測(cè)控制是一種閉環(huán)控制算法。為了防止模型失配或環(huán)境干擾引起控制對(duì)理想狀態(tài)的偏離，預(yù)測(cè)控制通常不把這些控制作用逐一全部實(shí)施，而只是實(shí)現(xiàn)本時(shí)刻的控制作用。 到下一采樣時(shí)刻，則需首先檢測(cè)對(duì)象的實(shí)際輸出，再通過實(shí)際測(cè)到的輸出信息對(duì)基于模型的預(yù)測(cè)輸出進(jìn)行修正，然后再進(jìn)行新的優(yōu)化。 不斷根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際輸出對(duì)預(yù)測(cè)

9、輸出值作出修正使?jié)L動(dòng)優(yōu)化不但基于模型，而且利用了反饋信息，構(gòu)成閉環(huán)優(yōu)化。,3.反饋修正的形式：（1）在保持預(yù)測(cè)模型不變的基礎(chǔ)上，對(duì)未來的誤差做出預(yù)測(cè)并加以補(bǔ)償。（2）根據(jù)在線辨識(shí)的原理直接修改預(yù)測(cè)模型。,4.誤差校正示意圖：,4.非參數(shù)模型：（要求系統(tǒng)為開環(huán)穩(wěn)定對(duì)象）,1.脈沖響應(yīng)模型：,2.階躍響應(yīng)模型：,輸出響應(yīng)的形式,（1）脈沖響應(yīng)模型,244頁,單位脈沖響應(yīng)g(t)的拉氏變換即為系統(tǒng)傳遞函數(shù),任意輸入時(shí)過程對(duì)象的輸出響

10、應(yīng)，根據(jù)卷積定理有：,考慮其離散形式，即令t=k：,課本245頁,對(duì)于線性對(duì)象，如果已知其單位脈沖響應(yīng)的采樣值為 𝑔 1 ， 𝑔 2 ， 𝑔 3 …，則可寫出其輸入輸出間的關(guān)系,其中u、y分別是輸入量、輸出量相對(duì)于穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的偏移值。如果輸入是一連串的脈沖，那么任意時(shí)刻的脈沖等于各個(gè)輸入脈沖的加權(quán)和,lim 𝑖→∞ 𝑔 𝑖 =0 對(duì)

11、于漸近穩(wěn)定的對(duì)象，由于對(duì)象的動(dòng)態(tài)過程就可近似地用一個(gè)有限項(xiàng)卷積表示的預(yù)測(cè)模型來描述（離散卷積的形式）,其中N是建模時(shí)域，與采樣周期Ts有關(guān)，N·Ts對(duì)應(yīng)于被控過程的響應(yīng)時(shí)間，在合理選擇Ts的情況下，建議N的數(shù)值在20~60之間。式子相當(dāng)于當(dāng)前時(shí)刻k-1后的下一個(gè)采樣時(shí)刻的系統(tǒng)輸出的預(yù)測(cè)值。,（2）階躍響應(yīng)模型,,MAC算法預(yù)測(cè)模型輸出包括兩部分：（1）過去已知的控制量所產(chǎn)生的預(yù)測(cè)模型輸出部分，它相當(dāng)于預(yù)測(cè)模型輸出初值；（

12、2）由現(xiàn)在和未來控制量所產(chǎn)生的預(yù)測(cè)模型輸出部分。,（2）反饋修正：,實(shí)際對(duì)象由于時(shí)變或非線性等因素或多或少地存在著模型誤差，加上系統(tǒng)中的各種隨機(jī)干擾，使得模型不可能與實(shí)際對(duì)象的輸出完全一致，因此需要對(duì)上述開環(huán)模型預(yù)測(cè)輸出進(jìn)行修正。在模型預(yù)測(cè)控制中常用輸出誤差反饋校正方法，即閉環(huán)預(yù)測(cè)。,設(shè)第k步的實(shí)際對(duì)象輸出測(cè)量值y(k)與預(yù)測(cè)模型輸出,（3）將校正輸出表示成向量形式：,（3）參考軌跡,在MAC算法中，控制的目的是使系統(tǒng)的輸出y沿著一條事

13、先規(guī)定的曲線逐漸到達(dá)設(shè)定值，這條指定的曲線稱為參考軌跡yr,通常參考軌跡采用從現(xiàn)在時(shí)刻實(shí)際輸出值出發(fā)的一階指數(shù)函數(shù)形式。,越大，則 值也越大參考軌跡的時(shí)間常數(shù)τ α而系統(tǒng)的柔性越好，魯棒性越強(qiáng)，但控制的快速性卻變差。在 AC的設(shè)計(jì)中 是 個(gè)很重要的參數(shù)它對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和魯棒性將起重要作用,（4）滾動(dòng)優(yōu)化,最優(yōu)控制律由所選用的性能指標(biāo)來確定，通常選用輸出預(yù)測(cè)誤差和控制量加權(quán)的二次型性能指標(biāo)，其表示形式如下,將性能指標(biāo)寫成矢量形

14、式,課本245頁有相應(yīng)的介紹,在實(shí)際執(zhí)行時(shí)，由于模型誤差、系統(tǒng)的非線性特性和干擾等不確定因素的影響，如按求得的控制律去進(jìn)行當(dāng)前和未來M步的開環(huán)順序控制，則經(jīng)過M步控制后，可能會(huì)偏離期望軌跡較多。為了及時(shí)糾正這一誤差，可采用閉環(huán)控制算法，即只執(zhí)行當(dāng)前時(shí)刻的控制作用u(k)，而下一時(shí)刻的控制量u(k+1)再進(jìn)一步遞推計(jì)算。,（5）計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)步驟,在線或離線獲得單位脈沖響應(yīng)構(gòu)造預(yù)測(cè)模型核心算法實(shí)現(xiàn)流程,根據(jù)預(yù)測(cè)模型計(jì)算預(yù)測(cè)輸出檢測(cè)實(shí)際輸

15、出，根據(jù)偏差進(jìn)行預(yù)測(cè)輸出修正計(jì)算參考軌跡優(yōu)化計(jì)算控制輸出,3.強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng),(1)被控變量：蒸發(fā)器的液位出料密度(2)操作變量：出料液的流量加熱蒸汽的流量,(3)系統(tǒng)特性：-多變量-強(qiáng)耦合-非線性,工藝簡(jiǎn)介:,控制目標(biāo):使出料液的密度快速跟蹤生產(chǎn)工藝所確定的出料密度目標(biāo)值——質(zhì)量指標(biāo)使蒸發(fā)器液位保持在正確位置(在工藝上通常要求液位保持在低于加熱管出口而高于循環(huán)管入口處 )和相對(duì)穩(wěn)定——生產(chǎn)安全指標(biāo),3

16、 強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型,,(5.1),,(5.2),,(5.3),其中,,(5.4),,(5.5),,,3.1 強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)的控制現(xiàn)狀,采用將系統(tǒng)分解成兩個(gè)較為簡(jiǎn)單的串級(jí)PID控制回路來實(shí)現(xiàn)對(duì)出料密度和液位的控制。,,圖3.1 串級(jí)PID控制策略,存在問題由于強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)具有不確定、多變量、強(qiáng)耦合和非線性等復(fù)雜特性，被控對(duì)象的模型參數(shù)往往發(fā)生變化。因此，使得根據(jù)典型工況整定好的PID控制參數(shù)在模型參數(shù)發(fā)生變化后不能取得好

17、的控制效果。,3.2強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)的多模型自適應(yīng)預(yù)測(cè)解耦控制方法,注：外層采用多模型自適應(yīng)預(yù)測(cè)解耦控制器具有較強(qiáng)的魯棒性和快速跟蹤能力，而且可以近可能的減少?gòu)?qiáng)耦合對(duì)系統(tǒng)的影響。內(nèi)層采用頻率較高的常規(guī)PID控制器有較強(qiáng)的抗干擾能力。,,,圖3.2 控制策略框圖,圖3.1 串級(jí)PID控制策略的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,仿真結(jié)果,圖3.2 本文所提控制策略的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀預(yù)測(cè)控制軟件介紹,國(guó)外著名公司,Setpoint、DMC、Speedup、

18、Adersa、Simoon、Treiber Control等專門從事實(shí)時(shí)控制與優(yōu)化的軟件公司。,在1996年，著名的Setpoint公司和DMC公司先后被Aspentech(艾斯本) 公司收購(gòu)。，在上百家大型石化、化工、煉油、鋼鐵等企業(yè)應(yīng)用成功，取得了巨額利潤(rùn)。,這些國(guó)外著名公司開發(fā)出適用于實(shí)時(shí)控制與優(yōu)化的多變量高級(jí)控制和實(shí)時(shí)在線優(yōu)化的商品化工程軟件，大量推向市場(chǎng)，在上百家大型石化、化工、煉油、鋼鐵等企業(yè)應(yīng)用成功，取得了

19、巨額利潤(rùn)。Aspentech公司實(shí)行收購(gòu)后，在過程信息管理PIM、先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)方面成為世界領(lǐng)先地位。,DMCPlus控制軟件包——Aspentech在兼并DMC公司和Setpoint公司之后推出的，主要特點(diǎn)：,過程模型辨識(shí)處理約束經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化能處理大型控制問題,國(guó)產(chǎn)多變量約束控制軟件包MCC由多變量約束預(yù)測(cè)控制器、非線性預(yù)測(cè)控制器、過程模型辨識(shí)軟件包、組態(tài)軟件包、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件包、數(shù)據(jù)及圖形處理軟件包、過程和

20、模型參數(shù)在線校正軟件包、MCC與各類DCS的接口軟件包等部分組成。,4.4 Advanced System for Process Engineering(ASPEN),軟件啟動(dòng)界面:,可實(shí)用的軟件aspenONE V8.4:,軟件增加了原油化驗(yàn)數(shù)據(jù)，和新的用于煉油廠建模的反應(yīng)堆模型，在Aspen Plus為化學(xué)產(chǎn)品擴(kuò)大了固體模型各類。用于能源、化工、工程建筑等采用化學(xué)工藝生產(chǎn)產(chǎn)品的行業(yè)。,1. 預(yù)測(cè)控制[J], 自動(dòng)化學(xué)報(bào),

21、2007, 33(5): 540-545.(EI 072510663530) 2. 預(yù)測(cè)解耦控制[J], 控制理論與應(yīng)用, 2008, 25(4): 634-640. (EI 084011613760) 3．Yujing Shi, Tianyou Chai, Heng Yue. Robust one-step model predictive control for dis

22、crete time-delay systems [C], Proceedings of the 17th World Congress The International Federation of Automatic Control, Seoul, Korea, 2008: 6160-6165. 4．Yujing Shi, Tianyou Chai. Delay-depende