專利名稱：一種化工多變量過程解耦預(yù)測函數(shù)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種化工多變量過程解耦預(yù)測函數(shù)控制方法。
背景技術(shù)：
化工多變量過程是我國流程工業(yè)過程的重要組成部分，其要求是供給合格的工業(yè)產(chǎn)品，以滿足我國工業(yè)發(fā)展的需要。作為工業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)重要主體，流程工業(yè)生產(chǎn)過程水平的提高對整個(gè)工業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高起著至關(guān)重要的作用。為此，生產(chǎn)過程的各個(gè)主要工藝參數(shù)必須嚴(yán)格控制。隨著工業(yè)的發(fā)展以及對產(chǎn)品的質(zhì)量、能源消耗和環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，對工業(yè)過程的控制精度要求也越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的控制方法雖滿足了一定的要求，但難以進(jìn)一步提升控制水平，加上工藝過程變得更加復(fù)雜。簡單的單回路過程控制已經(jīng)無法滿足控制精度和平穩(wěn)性的要求，產(chǎn)品合格率低，裝置效率低下。而目前實(shí)際工業(yè)中控制基本上采用傳統(tǒng)的簡單的控制手段，控制參數(shù)完全依賴技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)，使生產(chǎn)成本增加，控制效果很不理想。我國煉油化工過程控制與優(yōu)化技術(shù)比較落后，能耗居高不下，控制性能差，自 動化程度低，很難適應(yīng)節(jié)能減排以及間接環(huán)境保護(hù)的需求，這其中直接的影響因素之一便是系統(tǒng)的控制方案問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是針對現(xiàn)有的化工過程系統(tǒng)控制技術(shù)的不足之處，提供一種化工多變量過程解耦預(yù)測函數(shù)控制方法。該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制方式的不足，保證控制具有較高的精度和穩(wěn)定性的同時(shí)，也保證形式簡單并滿足實(shí)際工業(yè)過程的需要。本發(fā)明方法首先基于化工過程模型建立解耦狀態(tài)空間模型，挖掘出基本的過程特性；然后基于該解耦狀態(tài)空間模型建立預(yù)測函數(shù)控制回路；最后通過計(jì)算預(yù)測函數(shù)控制器的參數(shù)，將過程對象整體實(shí)施預(yù)測函數(shù)控制。本發(fā)明的技術(shù)方案是通過數(shù)據(jù)采集、過程處理、預(yù)測機(jī)理、數(shù)據(jù)驅(qū)動、優(yōu)化等手段，確立了一種化工多變量過程解耦預(yù)測函數(shù)控制方法，利用該方法可有效提高控制的精度，提高控制平穩(wěn)度。本發(fā)明方法的步驟包括
(I)利用化工過程模型建立解耦狀態(tài)空間模型，具體方法是
首先采集化工過程的輸入輸出數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)建立輸入輸出模型如下
Y(z-1) = G(z-h)U(z-h)
其中7(2-1)、CKz-1)、U(z-h)分別為輸出向量z變換、傳遞函數(shù)矩陣、輸入向量z變換；
[油’0,2(2"1) - OyvCr1)!
nrl). %rI) Mr1)= Gmiz'l): G^X) .u(rl) = A(z_1)
U&’」Aw1)…G11C^1)，G12( )，…，GjwIT1)表示過程的各回路傳遞函數(shù)和&0力分別為第A個(gè)輸入和輸出變量的z變換，A = I, 2，…，Wz為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的離散變換算子，Z-1為z的倒數(shù)，況為過程的輸入輸出變量個(gè)數(shù)，所述的輸入輸出數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)采集器中存儲的數(shù)據(jù)；
進(jìn)一步對上述方程選取伴隨矩陣解耦陣為
M(z~h) 二 adjG(z~h)
其中，Niz-1)是伴隨矩陣解耦陣，adjGiz-')為的伴隨矩陣。將上述伴隨矩陣解耦陣與過程輸入輸出模型合并得到
Wiz'1) = G(z-h)· Miz-1)
= G{z-l)-adjG(z-1)
=diag det G(z-1)
其中，W(z-1)是得到的解耦過程模型，detG^-1)為Οζζ-1)的行列式，rfi^gdetGCz-1)為以σο—1)的行列式為元素的對角矩陣。
"detG(z_1) OO I
,,”，O detG(z_1)Odiag det Cj(z )= .,.
_ OOdetG(>_1)」
將上述解耦過程模型處理成況個(gè)單變量過程的離散表示方式
其中■%.(〗)和％ 分別是第個(gè)過程的輸出和輸入變量，k=\,2,---,N , f{z~l)和Η,、分別是九的和％( 的系數(shù)矩陣多項(xiàng)式；
/(Z-1) = Uf1Z-1 +f2z-2 十…+ J:z_x h(z~h) = k^-1 +,ψ-2 + …+
其中^。,…,吣是相應(yīng)的系數(shù)矩陣^^^又…⑷為后移^步算子^是得至IJ的模型階次；
將過程模型通過后移算子Δ處理成過程的狀態(tài)空間表示方式
Axs ￠ + 1) = AmAxm (i) + BmAuk (t)
Ayfc ￠+1) = CmAxs ￠+1)
Axja(Ι)τ = [Δ) Λ( ) AFitCi- I) ■■■ A^fc(i-M+ I) Δ%( - I) Aufc( - 2)…Δ%( - μ +1)]；
其中，ΔχΜ( + 1)、ΔΛ( +1)分別是第| + 1時(shí)刻的變量值，Δ%( )為第￡時(shí)刻的輸入增量
變量值，~4-^、^%(卜00'=0,1,—,《-1)分別為第—時(shí)刻的輸出變量增量和輸入變量
增量值，~、BM、Cm分別為對應(yīng)的狀態(tài)矩陣、輸入矩陣和輸出矩陣，τ為取轉(zhuǎn)置符號。-/l -/2 ■■■ -/a-l 'Sm h ■" K-I K 1 ο-'-, ο 0 0--.0 ο
0 I ·■· O O 0---0 O
Am= O O ·■· I O 0---0 O O O·-'。 O 0--.0 O
OOO O 1--.0 O
O O-- O 0 0--.10Bm = [, O O ■■■ Cl 10 OfCm= [I 0 0---0 0 0 0 ]定義一過程期望輸出為Κ )，并且輸出誤差抑)為
< = Λ( )-,( )
進(jìn)一步得到第 + l時(shí)刻的輸出誤差+ 1)為
蝴 +1) = e(t)+CwiAllAxsi (I) +CjrBJm 故-Δγ(Ι + 1)
其中，ΔΚΙ + 1)為第 + 1時(shí)刻的過程期望輸出增量。定義一個(gè)新的復(fù)合狀態(tài)變量
Z(I)=
..L ·)
將上述處理過程綜合為一個(gè)部分解耦的過程模型
z(i +1) = Az (t) + Bimk (t) + CAr(i +1)
其中，z(t + i)為第￡ + 1時(shí)刻的復(fù)合狀態(tài)變量，A、B、C分別為對應(yīng)復(fù)合狀態(tài)變量的狀態(tài)矩陣、輸入矩陣和輸出矩陣，具體是
Γ4 0I Γ I Γο
飯,B=K,C=
-CxAm 1_—I
(2)基于該解耦狀態(tài)空間模型設(shè)計(jì)預(yù)測函數(shù)控制器，具體方法是 a.定義該預(yù)測函數(shù)控制器的目標(biāo)函數(shù)為
J=YiZ1H+j)Qf4+j)
J=I
其中J為目標(biāo)函數(shù)，Ny是預(yù)測步長，込是加權(quán)矩陣，Z樹)是第f+ J時(shí)刻的復(fù)合狀態(tài)變量。b.定義控制變量的組成為
權(quán)利要求
1. 一種化工多變量過程解耦預(yù)測函數(shù)控制方法，其特征在于該方法的具體步驟是 (I)利用化工過程模型建立解耦狀態(tài)空間模型，具體方法是 首先采集化工過程的輸入輸出數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)建立輸入輸出模型如下Y(z~l) = Giz-1YJiz-1) 其中ry1) "(f1)、[/(^1)分別為輸出向量2變換、傳遞函數(shù)矩陣、輸入向量z變換；
全文摘要
本發(fā)明涉及一種化工多變量過程解耦預(yù)測函數(shù)控制方法。傳統(tǒng)的控制手段中控制參數(shù)完全依賴技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)，控制效果不好。本發(fā)明方法首先基于化工過程模型建立解耦狀態(tài)空間模型，挖掘出基本的過程特性；然后基于該解耦狀態(tài)空間模型建立預(yù)測函數(shù)控制回路；最后通過計(jì)算預(yù)測函數(shù)控制器的參數(shù)，將過程對象整體實(shí)施預(yù)測函數(shù)控制。本發(fā)明的技術(shù)方案是通過數(shù)據(jù)采集、過程處理、預(yù)測機(jī)理、數(shù)據(jù)驅(qū)動、優(yōu)化等手段，確立了一種化工多變量過程解耦預(yù)測函數(shù)控制方法，利用該方法可有效提高控制的精度，提高控制平穩(wěn)度。本發(fā)明方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制的不足，并有效地方便了控制器的設(shè)計(jì)，保證控制性能的提升，同時(shí)滿足給定的生產(chǎn)性能指標(biāo)。
文檔編號G05B13/00GK102880046SQ20121035737
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者張日東, 薛安克, 王建中, 葛銘, 孔亞廣 申請人:杭州電子科技大學(xué)