[发明专利]用于工业水槽液位串级预测控制系统的一致性约束方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种一致性约束方法，尤其是一种用于工业水槽液位串级预测控制系统的一致性约束方法。

背景技术

工业生产过程中，由于执行机构和生产装置的物理特性所限，如阀门的线性工作量程、阀门的调节速率、油罐的容积和液位限制等，控制器存在一定范围的可操作性，并要求过程输出在一定的安全范围内。同时，为了在保证产品质量的前提下最大化企业经济效益，通常希望在一定概率约束范围内尽可能的使操作点靠近约束限，实现卡边操作。因此，根据约束的强制性和优化性，通常设定硬约束和软约束两级约束策略。生产操作的基本要求是保证各变量不违背硬约束的限制，否则将采取停车停产等应急措施以防止事故的发生。一旦发生停车，这对于连续作业的流程工业企业将损失数百万元甚至更多的经济效益。因此，企业通常将停车作为生产事故处理，而尽可能避免其发生。对于软约束的限制，如果生产过程操作点超限，则会报警以提醒操作工程师对生产工况进行调节。

对于传统的PID控制方案，操作工程师根据生产经验，保证操作点不违背硬约束的限制。操作工程师的生产经验及对生产过程的理解对控制的效果影响很大。对于软约束和经济性能，由于缺少必要的确定性模型信息，难以保证其最优化，通常的做法是为保证安全性而以损失经济效益为代价，因此操作过程会在一个较大的范围内波动，并且距操作软约束预留较大的退避值。

预测控制(Model Predictive Control，以下简称MPC)作为先进控制策略的典型代表，近些年来已广泛应用于石油、化工、造纸、制药等流程工业。预测控制的主要特性之一是可以方便的处理约束问题。根据对生产系统辨识而获取的过程模型，对未来过程输出进行预测，同时将过程输出和模型预测输出反馈给控制器进行优化控制，改善控制效果，压缩过程输出波动，进而在保证不违背硬约束的前提下，允许一定概率范围内的软约束超限，使操作点进一步靠近约束限以实现卡边控制，最大化经济效益。因此可以说，预测控制对于经济效益的提高主要取决于两方面因素：第一，改善控制效果以减小生产波动；第二，合理处理退避问题以使操作点靠近约束限。由此可见，无论对于生产的安全性，还是对于企业经济效益的提高，合理处理过程约束都是流程工业中一个重要的问题。

预测函数控制(Predictive Functional Control，以下简称PFC)被称为第三代预测控制器。由于其具有算法简单、不需要处理二次型优化问题、计算量小等特点，因此可以方便的嵌入DCS(Distributed Control System，以下简称DCS)或PLC(Programmable Logic Controller，以下简称PLC)中，不仅可以处理流程工业等慢响应过程，同时也有效的应用于快速控制过程，如机器人、航空器、武器控制系统等。在石油、化工等流程工业中，较之一般的二次型预测控制算法，PFC能够避免求解二次型优化问题，其控制结构简单，因而更加贴近于PID控制器而可以直接应用于底层基础回路动态控制。

PFC-PID串级控制回路与常用于工业过程中的一般性MPC-PID串级控制回路的控制结构一致。由于流程工业中95％以上的控制方案都采用的PID控制算法并且已经有几十年甚至近百年的应用历史，采用MPC(PFC)-PID串级控制结构兼顾了兼容性和最优性，因而更容易被工业企业和操作工程师所接受。

这一类PFC-PID串级控制回路的特点是，内回路PID控制器和外回路PFC控制器控制的对象为同一过程，这在工业过程中是一种典型的控制方案，如错误！书签自引用无效。所示。对于外回路控制器来说，内回路控制器的作用是“透明”的，因此称这种串级控制为“传导控制”。