連退加熱爐帶溫預測控制一體化仿真與應用現場應用

在連續(xù)退火生產線進行仿真前,要在相關畫面中輸入或者導人鋼卷數據信息(長度、厚度等)，然后輸人機組速度。點擊“開始”按鈕即開始進行仿真,仿真將自動調用設備參數文件以及辨識得到的模型參數和控制參數文件。不同的帶鋼以不同的顏色在畫面上顯示,也可以實時調整機組速度，在仿真畫面上可以顯示各爐區(qū)的爐溫、帶溫以及煤氣流量。這個連續(xù)退火生產線仿真畫面完全是根據設備特性參數文件畫出的，可以根據實際情況上下或者左右自動劃分爐區(qū)。

連續(xù)退火生產線模型辨識包括穩(wěn)態(tài)模型辨識、爐溫動態(tài)辨識、煤氣流量動態(tài)辨識等幾個部分。

在數據1中輸人用于建模的數據,在數據2中輸入用于檢驗的數據。同時，還要選擇區(qū)號以及輸人相應的參數，點擊辨識按鈕，可以得到模型參數以及相應的階躍響應曲線圖和零極點圖,并在畫面上顯示出來。點擊“比較”按鈕,可以得到比較圖形，根據圖形顯示可以判斷模型辨識得到的參數是否符合要求。如果滿意就點擊“保存”按鈕，將辨識得到的這些模型參數保存起來。選擇不同的爐區(qū)，可以得到連續(xù)退火生產線所有爐區(qū)的模型參數。

預測控制理論雖然在上個世紀70年代就已提出，在工程實踐中也有成功應用的案例，但是經過了近四十年的發(fā)展，還有很多問題值得更深入的探索和研究。

1)預測控制理論研究。預測控制的起源與發(fā)展與工程實踐緊密相連。實際上理論研究遲后于實踐的應用。主要設計參數與動靜態(tài)特性，穩(wěn)定性和魯棒性的解析關系很難得到。且遠沒達到定量的水平。

2）對非線性，時變的不確定性系統(tǒng)的模型預測控制的問題還沒有很好的解決。

3）將滿意的概念引入到系統(tǒng)設計中來，但滿意優(yōu)化策略的研究還有待深入。

4）預測控制算法還可以繼續(xù)創(chuàng)新。將其他學科的算法或理論與預測控制算法相結合，如引入神經網絡、人工智能、模糊控制等理論以更加靈活的適應生產需要。

從模型預測控制理論和實踐的飛速發(fā)展來看，預測控制已經存在大量成功的工業(yè)應用案例，一些線性預測和非線性預測工程軟件包已經推出和應用。傳統(tǒng)預測控制理論研究日臻成熟，預測控制與其他先進控制策略的結合也強益緊密。預測控制已成為一種極具工業(yè)應用前景的控制策略。2100433B

連續(xù)預測控制預測控制算法框圖

雖然預測控制有許多算法，一般的意義上說，它們的原理都是一樣的，算法框圖如圖1所示：

連續(xù)預測控制預測控制三個基本原則

(1)預測模型

預測控制是一種基于模型的控制算法，該模型被稱為預測模型。對于預測控制而言，只注重模型功能，而不是模型的形式。預測模型是基于對象的歷史信息和輸入，預測其未來的輸出。從方法論的角度來看，只要信息的收集具有預測功能，無論什么樣的表現，可以作為預測模型。這樣的狀態(tài)方程、模型傳遞函數都可以用來作為一個傳統(tǒng)的預測模型。例如線性穩(wěn)定對象，甚至階躍響應、脈沖響應的非參數模型，，都可直接作為預測模型。此外，非線性系統(tǒng)，分布式參數系統(tǒng)模型，只要具備上述功能也可以在這樣的預測控制系統(tǒng)中時用來作為預測模型。因此，預測控制打破了嚴格的控制模型結構的傳統(tǒng)要求，可按照功能要求根據最方便的信息集中方式基礎建模。在這種方式中，可以使用預測模型為預測控制進行優(yōu)化，.以提供的先驗知識來確定什么樣的控制輸入，從而使下一次受控對象的輸出變化與預定的目標行一致。

(2)滾動優(yōu)化

預測控制是一種基于優(yōu)化的控制，但其控制的輸入不是根據模型和性能指標一次解決并實現它，而是在實時的時間里來滾動優(yōu)化解決。在每一步的控制中，定義從目前到未來有限時域的最優(yōu)化問題，通過參數優(yōu)化求解時域的最優(yōu)控制輸入，但是只有真正的即時輸入控制才給予實現。到下一個控制周期，重復上述步驟，整個優(yōu)化領域向前一步滾動。在每個采樣時刻，優(yōu)化性能指標只涉及從現在到未來有限的時間，并且下一個采樣時刻，優(yōu)化時段向前推移。因此，預測控制全局優(yōu)化指標是不一樣的，在每一個時刻有一個相對該時刻的優(yōu)化指標。因此，預測控制的優(yōu)化不是一次離線進行，而是在線反復進行，這是滾動優(yōu)化的意義，預測控制的這一點也是不同于傳統(tǒng)最優(yōu)控制的根本。

(3)反饋校正

基礎的預測模型中，對象的動態(tài)特性只有粗略的描述，由于實際系統(tǒng)中有非線性、時變、模型不匹配、干擾等因素，基于相同模型的預測，與實際情況是無法完全匹配的，這需要用其他手段補充預測模型和實際對象的誤差，或對基礎模型進行校正。滾動優(yōu)化只有建立在反饋校正的基礎上，才能體現其優(yōu)越性。因此，通過預測控制算法的優(yōu)化，確定一系列未來的控制作用，為了防止模型失配或環(huán)境干擾引起的控制措施對理想狀態(tài)造成的影響，這些控制沒有完全逐一實現，只實現即時控制作用。到下一個采樣時間，首先監(jiān)測對象的實際輸出，并使用此信息在預測模型的基礎上進行實時校正，然后進行新的優(yōu)化。因此，預測控制優(yōu)化不僅基于模型，并使用了反饋信息，從而構成一個閉環(huán)優(yōu)化。

連續(xù)預測控制預測控制基本特征

(1)預測控制算法利用過去，現在和未來(預測模型)的信息，而傳統(tǒng)的算法，如PID等，只取過去和現在的信息;

(2)對模型要求低，現代控制理論難以大規(guī)模應用于過程工業(yè)，重要原因之一就是對模型精度過于苛刻，預測控制成功地克服這一點;

(3)模型預測控制算法具有全局滾動優(yōu)化，每個控制周期持續(xù)的優(yōu)化計算，不僅在時間上滿足實時性要求，還通過全局優(yōu)化打破傳統(tǒng)局限，組合了穩(wěn)定優(yōu)化和動態(tài)優(yōu)化;

(4)用多變量控制思想來取代單一的可變控制傳統(tǒng)手段。因此，在應用到多變量的問題時，預測控制通常被稱為多變量預測控制;

(5)最重要的是能有效地處理約束。因為在實際生產中，通常將制造過程工藝設備的狀態(tài)設置為在邊界條件(安全邊界，設備功能邊界，工藝條件邊界等)上操作，該操作狀態(tài)下，操作變量往往產生飽和以及被控變量超出約束的問題。所以可以處理多個目標，有約束控制能力成為一個控制系統(tǒng)長期、穩(wěn)定和可靠運行的關鍵技術。

連續(xù)預測控制預測控制種類

1978年，Richalet等首先闡述了預測控制的思想，預測控制是以模型為基礎，采用二次在線滾動優(yōu)化性能指標和反饋校正的策略，來克服受控對象建模誤差和結構、參數與環(huán)境等不確定因素的影響，有效的彌補了現代控制理論對復雜受控對象所無法避免的不足之處。

預測控制自發(fā)展以來，算法種類非常繁多，但按其基本結構形式，大致可以分為三類：

(I)由Cutler等人提出的以非參數模型為預測模型的動態(tài)矩陣控制(Dynamic Matrix Control, DMC), Rauhani等人提出的模型算法控制(Model Algorithmic Control,MAC).這類非參數模型建模方便，只需通過受控對象的脈沖響應或階躍響應測試即可得到，無須考慮模型的結構與階次，系統(tǒng)的純滯后必然包括在響應值中。其局限性在于開環(huán)自穩(wěn)定對象，當模型參數增多時，控制算法計算量大。

(2)與經典的自適應控制相結合的一類長程預測控制算法(Generalized Predictive Control, GPC).這一類基于辨識模型并且有自校正的預測控制算法，以長時段多步優(yōu)化取代了經典的最小方差控制中的一步預測優(yōu)化，從而適用于時滯和非最小相位對象，并改善了控制性能，具有良好的魯棒性。

(3)基于機構設計不同的另一類預測控制算法:包括由Garcia提出的內?？刂?Internal Model Control, IMC), Brosilow等人提出的推理控(Inference Control)等。這類算法是從結構上研究預測控制的一個獨特分支。

以上述典型預測控制為基礎結合近幾年發(fā)展起來的各種先進控制策略，形成了一些先進的預測控制算法，包括極點配置預測控制、解禍預測控制、前饋補償預測控制、自適應預測控制，魯棒預測控制等。本文重點研究自適應預測控制，即基于自適應雙重控制的預測控制算法。

另外，諸如模糊預測控制，神經網絡預測控制等智能預測控制算法的發(fā)展為解決復雜受控系統(tǒng)提供了強有力的支持。

許多新型的預測控制層出不窮，如預測函數控制、多速率采樣預測控制、多模型切換預測控制，有約束預測控制等。預測控制的算法種類越來越多，預測控制的性能在不斷改善，使其更好的應用在工業(yè)實際中。

《機電液一體化系統(tǒng)建模與仿真技術》內容涉及系統(tǒng)仿真理論與算法，機械、液壓、電控系統(tǒng)的建模與仿真，機電液一體化系統(tǒng)數字仿真軟件平臺與協同仿真系統(tǒng)、視景仿真系統(tǒng)、分布式交互仿真系統(tǒng)的實現等，并論述了機械系統(tǒng)動力學分析軟件ADAMS、液壓系統(tǒng)仿真軟件AMESim、控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB、分布式仿真平臺和視景仿真軟件VegaPrime等多領域專業(yè)仿真軟件的應用與集成，最后給出了一個綜合應用實例，詳細闡述了機電液一體化系統(tǒng)建模與仿真的實現問題。 機電液一體化系統(tǒng)建模與仿真技術是一本詳細論述機電液一體化系統(tǒng)的建模與仿真問題等內容的書。