工業(yè)過程系統(tǒng)的預(yù)測控制
李少遠
上海交通大學(xué)自動化系，上海200240）
摘 要：預(yù)測控制方法自1970s提出后在學(xué)術(shù)界和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域都取得了很大的進展，尤其在工業(yè)過程控制方面成為一種重要的先進控制方法。根據(jù)工業(yè)過程控制的特點和進一步的需求，對近年來在工業(yè)過程控制領(lǐng)域預(yù)測控制方法取得的新進展進行綜述，包括過程控制系統(tǒng)模型辯識，數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)測控制和在網(wǎng)絡(luò)信息模式下的預(yù)測控制等。并對預(yù)測控制進一步的發(fā)展需求進行分析，介紹了歐盟正在進行的第七框架對于大系統(tǒng)分布式預(yù)測控制的研究內(nèi)容。關(guān)鍵詞：工業(yè)過程系統(tǒng)；系統(tǒng)建模；預(yù)測控制；數(shù)據(jù)驅(qū)動；網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)
中國分類號：tp273 文獻標(biāo)識碼：a
1引言
預(yù)測控制的思想可以追溯到1963，率先將預(yù)測控制應(yīng)用到過程控制。在早期的文獻中，mpc通常使用階躍響虛和脈沖模型對過程進行建模，這樣非常有助于使用者的理解，有利于在合適的軟件體系下進行相應(yīng)的優(yōu)化控制及辨識。其中，idcom，由richalet，etal(1976)提出利用了有限時域脈沖響應(yīng)（線性）模型，二次型性能指標(biāo)，以及過程的輸入輸出約束條件。該算法使用最小二乘方法進行線性估計，在求解開環(huán)****控制問題的同時，也是求解一個估計問題。動態(tài)矩陣控制( dmc；cutler，ramaker，l980[3j)使用階躍響應(yīng)模型，在其他方面都與idcom是相似的，但在處理約束問題上存在很多問題。
這些問題在以qdmc為代表的第二代預(yù)測控制中被克服，qdmc采用二次規(guī)劃方法在系統(tǒng)是線性、目標(biāo)為二次型、約束為不等式條件韻前提下求解有約束的開環(huán)優(yōu)化問題。第三代預(yù)測控制技術(shù)于1990s出現(xiàn)，這種預(yù)測控制可以處理各種級別的約束條件（硬約束、軟約束、優(yōu)先級約束），提供了當(dāng)優(yōu)化問題不可行時的解決方法，并且控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)狀況發(fā)生改變，達種預(yù)測控制算法能夠適應(yīng)系統(tǒng)大范圍的動態(tài)變化，滿足控制系統(tǒng)的性能要求。預(yù)測控制的持續(xù)發(fā)展，使得預(yù)測控制廣泛應(yīng)用在工業(yè)系統(tǒng)中，尤其是一些大型企業(yè)。
預(yù)測控制發(fā)展至今提出的算法不下幾百種，其基本原理可以概括為預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正，是一類基于過程模型通過求解有限時間性能優(yōu)化的計算機程序?qū)崿F(xiàn)的控制算法，隨著工業(yè)系統(tǒng)大型化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，預(yù)測控制在工業(yè)過程系統(tǒng)中的應(yīng)用也出現(xiàn)了一些新的特點和對算法研究的新需求，下面分為3個方面進行分析。
2工業(yè)過程系統(tǒng)的模型辨識
建立過程的數(shù)學(xué)模型有兩種基本方法機理分析法和系統(tǒng)辨識方法。機理分析法又被稱為理論建模，它通常需要通過分析過程的運動規(guī)律，運用一些已知的定律、定理和原理，如化學(xué)動力學(xué)原理、物質(zhì)能量平衡方程、牛頓力學(xué)平衡原理等，分析過程內(nèi)部各變量的關(guān)系建立過程的數(shù)學(xué)模型。顯然，由機理分析法得到的過程模型能****程度地復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部各個過程的運行情況，因而具有很高的精確性。然而，對于諸如大多數(shù)化工生產(chǎn)過程等復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)而言，由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜、內(nèi)部工作變量不可測量等原因，使得建立系統(tǒng)機理模型變得非常困難。而且，通過機理分析方法得到的動力學(xué)模型通常具有復(fù)雜的非線性微分方程的形式，這種模型往往不能直接用于控制器設(shè)計及閉環(huán)控制系統(tǒng)性能分析。因此，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，常采用系統(tǒng)辨識的方法來獲取系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。
過程辨識是利用實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)建模的方法。作為自動控制領(lǐng)域中的一個重要分支，過程辨識技術(shù)得到了飛速發(fā)展，相繼出版了大量的有關(guān)著作。在這些著作中提到的系統(tǒng)辨識方法（稱之為經(jīng)典的系統(tǒng)辨識方法）大致可以分為預(yù)測誤差類方法、子空間窮法和譜分析方法。這些方法從數(shù)理統(tǒng)計的角度出發(fā)，圍繞模型參數(shù)估計的無偏性和一致性問題展開研究，形成了一套完善的理論體系。近些年來，隨著各種基于模型的控制理論的發(fā)展，系統(tǒng)辨識的目的由單純地追求精確的模型參數(shù)估計向“辨識為控制服務(wù)”轉(zhuǎn)變，也就是說，辨識的目的在于盡可能地減小模型的不確定性，以滿足控制系統(tǒng)的魯棒性要求。
1)基于繼電反饋測試的參數(shù)辨識astrom早在1970s開始從自適應(yīng)控制的角度研究過程系統(tǒng)在線的辨識方法，提出一種新穎的自整定pid控制策略，假設(shè)被控過程是一個慢時變且在某一個穩(wěn)定的工況下閉環(huán)系統(tǒng)工作在線性或者弱非線性區(qū)域內(nèi)。自整定控制系統(tǒng)分為閉環(huán)測試和閉環(huán)控制兩 |
