[发明专利]变结构非线性模型预估控制器

权利要求书

1.一种变结构非线性模型预估控制器，由在线实时组态器(1)、非线性模型预估控制计算器(2)、操作变量输出处理器(3)、被控变量约束优化器(4)、操作变量约束优化器(5)五个部分组成，实施时需连接的配套设备包括工程师界面(7)，操作界面(8)，实时数据库(9)，分布式控制系统(10)，被控的过程或设备(6)，其特征在于：由在线实时组态器(1)实时检测被控过程结构的变化，确定当前时刻最合适的控制系统结构；再由非线性模型预估控制计算器(2)按当前结构相应的非线性模型计算给出当前的控制作用增量，经操作变量输出处理器(3)实现高级控制，同时，在线实时组态器(1)还给出当前需要且可能进行优化的被控变量和操作变量，由被控变量约束优化器(4)、操作变量约束优化器(5)实施调优，形成多变量变结构非线性模型预估控制器。

2.根据权利要求1所述的变结构非线性模型预估控制器，其特征在于：在线实时组态器(1)包括有数据读入模块(1.1)；操作变量可用性判断模块(1.2)；实测干扰或观测干扰变量可用性判断模块(1.3)；确定当前需要且可能的被控变量的模块(1.4)；被控变量和操作变量配对模块(1.5)；被控变量和操作变量配对模块(1.5)根据数据读入模块(1.1)、操作变量可用性判断模块(1.2)、实测干扰或观测干扰变量可用性判断模块(1.3)和确定当前需要且可能的被控变量的模块(1.4)给出的信息，多变量协规则，被控变量和操作变量优先级，被控变量预估偏差和被控过程病态处理，给出的当前时刻最合适的控制器结构：包括：当前控制器所用被控变量、操作变量和实测干扰或观测干扰变量，当前需要优化的被控变量和操作变量，当前需要保持和跟踪的操作变量。

3.根据权利要求1所述的变结构非线性模型预估控制器，其特征在于：非线性模型预估控制计算器(2)根据具有状态和输入时间滞后的非线性状态空间模型预估计算被控变量的未来值、预估偏差和预估控制作用，包括：

(1)基于具有多重时间滞后的非线性状态空间模型：

X.(t)=dX(t)dt=F[X(t-τA),U(t-τB),V(t-τF)]]]>

Y(t)＝G[X(t)，V(t)]

其中:F，G为给定的函数向量

X∈Rⁿ状态变量     Y∈R^r被控变量

U∈R^m操作变量     V∈R^q可测干扰变量

τ_A，τ_B，τ_F分别为状态变量，操作变量，可测干扰变量的滞后时间矩阵

(2)时间滞后是状态和输入变量的函数，在每个控制时刻计算确定；

(3)在每个控制时刻计算所有状态变量：在计算中，若状态变量可测或无故障，则用其代入模型中进行计算，形成状态反馈；对不可测状态变量，或有故障的可测状态变量，用计算值代入模型进行计算；

(4)在每个控制时刻由非线性状态空间模型计算未来状态和被控变量预估值，以及被控变量对操作变量阶跃变化的相对阶跃响应S(P)：

    

其中:S_i，j(p_i)＝Y_i，j(k+p_i/k)-Y_0，i，j(k+p_i/k)

Y_i.j(k+p_i/k)＝令第j个操作变量在当前时刻发生阶跃变化后，用非线性状态空间模型计算得到的未来第p_j个控制周期时第i个被控变量值；

Y_0，i,j(k+p_i/k)＝在当前时刻和以后保持操作变量和干扰变量不变，用非线性状态空间模型计算得到的未来第p_i个控制周期时第i个被控变量值；

(5)由S(P)确定每个被控变量-操作变量配对的预估时域和控制周期，形成自动调整的多周期控制策略；

(6)多预估时域在线修正：对被控变量预估值进行在线实时修正：

Yic(k+pi/k)=Y0i(k+pi/k)+δMi]]>  p_i＝预估时域

δM_i＝Y_i(k)-Y_i(k/k-p_i)

Y‾i(k/k-pi)=Yi(k/k-pi)+Yi(k-σi/k-pi-σi)+Yi(k+σi/k-pi+σi)3]]>

(7)将被控过程状态变量上下限约束转换为区域被控变量，并设置给定点控制、固定区域控制、浮动区域控制和条件等多种被控变量；

(8)单值预估控制计算：在每个控制时刻计算每个被控变量在未来预估时域时刻的预估偏差E和预估控制的调整量ΔU(k)：

E^T(P)＝[e₁(p₁)…e_r(p_r)]是被控变量预估偏差

Y^s＝第i个被控变量CV的给定值，区域控制为区域边界或上下限值

预估控制的调整量为：

ΔU(k)＝U(k)-U(k-1)＝[S^T(P)WS(P)]^-1S^T(P)WE

  w_i＝第i个被控变量的加权系数

W_i＝随被控变量CV预估偏差大小变化的加权系数