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1、单击此处编辑母版标题样式过程控制工程“Process Control Engineering”第五章 先进控制系统（预测控制）单击此处编辑母版标题样式本节目录CONTENS1预测控制系统基本概念2预测控制系统基本原理3预测控制实施时注意事项4预测控制系统设计示例单击此处编辑母版标题样式1.预测控制系统基本概念什么叫预测控制？预测控制除根据当前和过去测量和设定的偏差外，还利用预测模型预估未来偏差，用滚动优化确定当前最优控制输入。预测控制系统有哪些类型？动态矩阵控制 DMC：Dynamic Matrix Control 内模控制 IMC：Internal Model Control模型算法控制 M
2、AC：Model Algorithmic Control 模型预测启发控制 MPHC：Model Predictive Heuristic Control 广义预测控制 GPC：Generalized Predictive Control单击此处编辑母版标题样式1.预测控制系统基本概念预测控制特点：对过程的模型要求不高，可直接实验获得；能直接处理具有纯时滞、非最小相位和非线性的过程；采用滚动优化策略，具有良好的跟踪和较强的抗干扰能力；采用非最小化描述的离散卷积和模型，对模型误差有强鲁棒性。：单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程部分国外公司的预测控制软件
3、部分国外公司的预测控制软件1.预测控制系统基本概念单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程预测控制基本算法预测控制基本算法预测模型：描述系统动态行为的模型 非非参数模型参数模型：脉冲响应、阶跃响应等：脉冲响应、阶跃响应等 参数模型参数模型：状态方程、传递函数、状态方程、传递函数、差分方程差分方程滚动优化：优化：每一时刻考虑有限时域的优化控制输出优化：每一时刻考虑有限时域的优化控制输出 滚动：把当前计算的优化控制输出加于系统，下一时刻重新优化滚动：把当前计算的优化控制输出加于系统，下一时刻重新优化反馈校正：在线校正：根据预测模型估计系统输出的未来值在线校正：
4、根据预测模型估计系统输出的未来值 反馈校正：现时刻测量和预估值比较，差值用于反馈校正反馈校正：现时刻测量和预估值比较，差值用于反馈校正l参考轨线：希望系统输出沿一条期望的平稳曲线到达设定值2.预测控制系统基本原理单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程预测控制系统基本结构：2.预测控制系统基本原理单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程预测模型：能够根据系统输入输出的历史数据和未来输入，预测系统未来输出的一类描述系统行为的基础模型预测模型特点：具有预测功能，可预测过程未来的输出值预测模型类型：阶跃响应模型、脉冲响应模型
5、、移动平均自回归模型、状态空间模型等。常用的有阶跃响应模型、脉冲响应模型2.预测控制系统基本原理单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程脉冲响应模型：控制输入控制输入控制输控制输出出过程过程的脉冲响应系数的脉冲响应系数h j=a j a j-1阶跃响应模型转换为脉冲响应模型的公式：过程的阶跃响应系数过程的阶跃响应系数2.预测控制系统基本原理单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程滚动优化：根据优化目标和已经运行的现状，滚动优化计算下一时刻的控制预测值优化控制的目标函数：设计思想：每一个采样时刻，优化的性能指标仅涉及从该
6、时刻开始到未来的一段时间内的有限时间，即优化时域。在下一时刻，优化时域同时前移。2.预测控制系统基本原理单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程三种滚动优化方法:现时刻k只施加第一个控制作用u(k)，等下一时刻k+1时，再根据过程输出，预测模型重新优化计算，得到下一时刻控制作用，依次类推，滚动优化。现时刻k施加前M个控制作用中的n个u(k)，u(k+1)，u(k+n-1)，nM，等施加完最后的控制作用u(k+n-1)后，重新计算下一组控制作用，如此滚动前进和优化。现时刻k施加前M个控制作用u(k)，u(k+1)，u(k+M-1),等施加完最后的控制作用u(
7、k+M-1)后，重新计算下一组控制作用，如此滚动前进和优化。M是控制时域。2.预测控制系统基本原理单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程反馈校正：用误差y(k)ym(k)对模型输出进行比例校正，组成闭环控制 yP(k+i)=ym(k+i)+i y(k)ym(k)调整校正加权向量，可以使反馈校正的强度变化。（经反馈校正后的模型输出为yP；对误差e(k)的加权系数是）P步预测的反馈校正：写成向量形式：YP(k)=Ym(k)+e(k)式中，YP(k)=yP(k+1)yP(k+2)yP(k+P)T；=1 2 PT2.预测控制系统基本原理单击此处编辑母版标题样式国
8、家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程参考轨线：预测控制系统要求控制系统的输出按照参考轨线上升到预期的设定值yd 常用一阶指数形式上升到预期的设定值。yr(k+i)=i y(k)+(1-i)yd i=1，2，P ；Ts是采样周期，是时间常数。i 是01之间的常数。越大，设定值的变化越平缓2.预测控制系统基本原理单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程预测控制是一种基于预测过程模型的控制算法，根据过程的历史信息判断将来的输入和输出。预测控制系统-特点 当模型与被控对象一致时，能使两者误差为零 当模型失配时，能通过反馈校正，及时调整失配程度，因此
9、，预测控制具有良好的鲁棒性。2.预测控制系统基本原理单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程l预测控制是一种最优控制算法，它根据目标函数计算未来的控制作用。预测控制的优化过程不是一次离线完成，而是在有限的移动时间间隔内反复在线进行。优化目标随时调整，具有很强的适应性l预测控制是一种反馈控制算法。模型和过程匹配的误差，或因系统不确定因素引起的控制性能问题，预测控制都可以用反馈校正来补偿其误差，并根据在线辨识校正模型参数2.预测控制系统基本原理单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程3.预测控制系统实施时注意事项稳态余差。
10、滚动优化的优化目标函数不仅包含偏差项，还包含控制项目标函数最小时，并不表示偏差为零，因此，模型算法控制在稳态时存在余差采用比例作用，其增益与过程脉冲响应系数有关，使系统稳态时存在余差参数选择。预测控制系统的可调参数较多，需要根据不同应用设置具有时滞或反向特性系统的预测控制。存在时滞，或存在反向特性时，P、M和 均应选得较大，P至少应大于d，MP-d。参考轨线的设置时也应考虑d的影响单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程3.预测控制系统实施时注意事项反馈校正能够有效地消除系统的静态误差，但需注意校正项中高频噪声的过滤过程约束可表示为硬约束（必须严格满足的约
11、束）和软约束（可以有所偏离的约束）硬约束包括操纵变量极大和极小，变化率约束，有时，可引入加速度约束软约束主要有输出设定点的约束等对控制变量可设置设定值跟踪控制、区域跟踪控制、参考轨线跟踪和输出漏斗控制单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程4.预测控制系统设计示例造纸厂进料池和流浆箱的液位预测控制l被控变量：进料池液位H1和流浆箱液位H2，其浆液浓度为N1和N2l控制目标：保持液位H2和浆浓N2恒定l操纵变量：进料浆液流量Gp（其浆浓为Np）和回收的白水流量Gw（其浆浓为Nw）系统可测量的变量：H2、N1和N2可测的扰动变量：Np不可测的扰动变量：Nw单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程4.预测控制系统设计示例系统Gp和Gw阶跃变化是的响应曲线单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程进料流量Gp和回收白水流量Gw都对流浆箱液位和浆浓有很大影响回收白水流量Gw对浆浓的响应显示具有反向特性4.预测控制系统设计示例系统状态方程和输出方程单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程4.预测控制系统-设计示例