[发明专利]基于模型预测控制的MGT-CCHP分层最优控制系统

摘要

本发明公开了一种基于模型预测控制的MGT‑CCHP分层最优控制系统，包括动态最优目标值设置单元，模型预测控制单元，扰动模型单元，MGT‑CCHP系统单元和状态及扰动观测器单元。本发明改善了系统的控制性能，提高系统抗干扰性；动态目标值计算单元中考虑了经济影响因素，使系统具有一定的经济性；采用多变量预测控制策略控制MGT‑CCHP系统，能较好的克服系统大惯性、大延迟的缺点，提高各阀门开度控制对机组负荷变化的响应速度；同时考虑了阀门开度上下限制、速率限制等实际约束，避免因执行机构饱和从而影响系统性能。

主权项

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。