[发明专利]基于模型预测控制的MGT-CCHP分层最优控制系统

权利要求书

1.一种基于模型预测控制的MGT-CCHP分层最优控制系统，其特征在于，包括：动态最优目标值设置单元(1)，模型预测控制单元(2)，扰动模型单元(3)，MGT-CCHP系统单元(4)和状态及扰动观测器单元(5)；动态最优目标值设置单元(1)与模型预测控制单元(2)相连，模型预测控制单元(2)有两路输出端，其中第一路输出端连接扰动模型单元(3)输入端，第二路输出端连接MGT-CCHP系统单元(4)，MGT-CCHP系统单元(4)的输入端同时连接外部不可测扰动，扰动模型单元(3)和MGT-CCHP系统单元(4)的输出端连接状态及扰动观测器单元(5)的输入端，状态及扰动观测器单元(5)的输出端连接动态最优目标值设置单元(1)和模型预测控制单元(2)；

上层动态最优目标值设置单元(1)其具体实现包括如下步骤：

y_ref(k)＝Cx_s(k)+Du_s(k) (7)

u_min≤u_s(k)≤u_max (8)

y_min≤y_ref(k)≤y_max (9)

其中(5)是优化目标函数，α_i是每个目标函数的权值；(6)和(7)是稳态约束，x_s,u_s和y_ref是状态变量、输入变量、输出变量的最优设定值；(8)和(9)是输入输出约束，u_min,u_max和y_min,y_max是输入输出变量的上下界；

J₁＝C_F·l_F·u₁代表燃气消耗成本，其中C_F是燃气价格，l_F是阀门开度和燃气流量之间的系数；J₂＝||T_c-y₂||²,J₃＝||T_h-y₃||²,J₄＝||E-y₁||²代表MGT-CCHP系统输出偏离用户需求时施加的惩罚，T_c,T_h和E是需要的冷/热水温度和输出功率；J₅＝-(||u₂||²+||u₃||²)代表阀门节流损失，负号代表阀门开度越大，节流损失越小；

模型预测控制单元(2)为基于状态空间模型的多变量模型预测控制单元，其具体实现包括如下步骤：

(1)MGT-CCHP系统动态特性由下面离散状态空间模型描述：

其中x(k)∈Rⁿ是状态变量，u(k)∈R^m是输入变量，y(k)∈R^l是输出变量，d(k)∈R^nd是扰动项代表不可测扰动和模型失配的影响，A,B,C,D,G_d是系统矩阵；

(2)扩增状态观测器来估计状态及扰动值，扩增状态观测器如下表示：

其中L_k是观测器增益，‘∧’符号代表估计值；

(3)扩增状态观测器的构建可基于常规卡尔曼滤波理论，其中：

L_k＝P_kC^T(CP_kC^T+R)^-1 (3)

P_k＝AP_k-1A^T+G_dQ₀G_d^T-AP_k-1C^T(CP_k-1C^T+R₀)^-1CP_k-1A^T (4)

调节参数Q₀和R₀是单位阵，P_k,P_k-1分别是k,k-1时刻的状态误差协方差估计；

模型预测控制单元(2)具体实现进一步包括以下步骤：

(1)考虑稳态约束(6)和(7)，将其带入(1)，得到

其中

(2)MPC控制器的预测模型采用(10)的标称模型：

(3)通过预测模型(11)未来P步，未来输出表示为

其中

(4)考虑动态控制目标函数如下

其中Q和R分别是误差权矩阵和控制权矩阵，通过将(12)带入(13)，在采样时刻k最小化(13)，同时满足输入输出约束

得到最优控制序列然后将控制序列的第一步施加到控制对象上；其中，x_s,u_s和y_ref是状态变量、输入变量、输出变量的最优设定值，u_min,u_max和y_min,y_max是输入输出变量的上下界。