[发明专利]变结构非线性模型预估控制器

说明书

技术领域

本发明涉及一种对连续变化过程或设备，特别是对已有分布式控制系统(DCS)及其包含的PID控制器的连续生产过程，进行高级控制(Advanced Control)的策略、方法和变结构非线性模型预估控制器。

背景技术

由于PID(比例、积分、微分)控制器较为简单实用，从上世纪四十年代以来，生产过程中广泛应用它进行自动控制。随着生产和科学技术的发展，尤其是生产规模的不断扩大和市场需求的频繁变化，对时间滞后较大、多变量、有约束、变结构的生产过程，PID控制难以满足平稳控制和多变量约束协调和变结构的控制要求。

二十世纪七十年代后期出现的模型预估控制(MPC)，利用被控过程动态数学模型，对被控过程未来的状态进行预估，并据以进行最优控制，对于时间滞后大的多变量过程提供了一种有效的控制方法，如MAC，DMC，GPC，SFPC，等等，也出现了相应的商品化软件，如IDCOM、DMC-Plus(Aspen Inc.)、RMPCT-PROFIT(Honeywell Inc.)、STAR(Invensys)、VSUPCC、等等，从上世纪八十年代开始，在生产过程中得到了成功的应用。在应用过程中，在处理约束和多变量协调方面得到发展和改善，使MPC得到越来越广泛的应用。

实际应用暴露了MPC的一些弱点：其一是抑制不可测干扰的能力较差，甚至不如PID控制。其二是难以适应生产过程的变化(非线性和变结构)。其三是为获得模型，要对生产进行较大的干扰。这是由于大多数MPC应用由实测被控过程输入输出数据建立的线性化动态数学数学模型、采用多值预估、处理多变量协调、状态和输出变量约束，使模型在线实时计算较为复杂，控制周期较长(30-60秒，而PID的控制周期为0.5-1秒)，又不能利用被控过程提供的可测状态变量信息。只有基于中国专利“99105546.2通用多变量模型预估协调控制方法”的VSUPCC软件，采用基于机理分析的状态空间模型，不需干扰生产的测试，可引入状态变量反馈，提高抑制干扰的能力，并采用单值预估策略，在保持相同控制效果下，使在线实时计算大大简化，实现了控制周期5-60秒之间的多周期控制，提高了控制效果，可更好的处理多变量协调问题。但它也与其它MPC一样，均是基于线性化模型，而实际被控过程或设备往往是非线性的，尤其在产品需求不同、原料变化、负荷变化、环境变化、等等情况下，使被控过程是变结构和非线性的，即需要和可能的被控变量数量和可应用的操作变量数量是变化的；被控过程或设备的准确描述是非线性的，基于线性化模型的MPC难以得到满意的控制效果。

上世纪八十年代以来，出现了不少有关利用非线性模型进行预估控制(NLMPC)的研究性论文，提出了在线性化基础上加入非线性修正、增益规划、多模型、局部采用非线性模型计算、等等仍基于线性化模型的算法。也出现了一些基于非线性模型的算法。上世纪末和本世纪初，出现了一些非线性模型预估控制的商品化软件，如Aspen的APOLLO、PAS的NOVA-NLC、PAVILION的Pavilion、等等。由于非线性模型不能应用叠加原理，一般无解析解，控制策略采用多值预估、状态约束，加上被控过程是多变量的，使计算相当复杂，这些软件都要作一些近似处理，使应用效果受到限制，也没有明确的解决变结构问题的方法。

发明内容：

本发明的目的是给出一种基于非线性动态数学模型、适应被控过程和设备特点的非线性模型预估控制策略和构成多变量变结构非线性模型预估控制器(简称VSNMPC)的策略和方法，不仅在模型上(非线性)适应被控过程的变化，也在结构上适应被控过程的变化，使控制系统更具有生命力，随时给出最优的控制结构和控制效果。

本发明给出的变结构非线性模型预估控制器主要包括以下五个部分组成：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。在实施本发明时，还需要与变结构非线性模型预估控制器连接的下列配套设备：工程师界面9，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。这些配套设备有些是被控过程或设备中已经具备的，其它可采用已有的产品。