预测控制的特点及应用

menyan

摘要：介绍预测控制的基本思想和特点以及在火电厂热工自动控制系统中的应用。
  
概述：

　　预测控制是近些年发展起来的一类新型计算机控制算法。由于它适用于控制不易建立精确数字模型比较复杂的工业生产过程，所以它一出现就受到国内外工程界和控制界的重视。并已在电力等各工业部门的控制系统中得到了成功的应用。

1 预测控制的产生背景

　　一般说来，实际工业过程常具有非线性、时变性和不确定性，且大多数工业过程是多变量的，难于建立其精确的数学模型。因此，应用现代控制理论设计的过程控制器的控制效果往往还不如按经典控制理论设计的PID调节器好。因此，到目前为止，在工业过程控制中，占统治地位的仍然是经典控制理论的 PID调节器。

　　70年代以来，人们除了加强对生产过程的建模、系统辨识、自适应控制等方面的研究外，开始打破传统控制思想的束缚，试图面向工业过程的特点，寻找各种对模型要求低，在线计算方便、控制综合效果好的算法。预测控制算法就是在这一背景下发展起来的一种新型算法。它不是某种统一理论的产物。而是在工业实践过程中独立发展起来的。预测控制算法的一种即模型算法控制(MAC-- ModelAlgorithmic Contr01)是在法国工业中的锅炉和分馏塔的控制中首先得到了应用。随着数字计算机向小型、高速、大容量、低成本方向的发展也为这类新算法提供了物质基础。

2 预测控制的基本原理[1]

　　预测控制是一类新型的计算机控制算法，到目前为止其算法有几十种之多。比较典型的控制算法有模型算法控制(MAC)、动态矩阵控制(DMC)、广义预测控制(GPC)、广义预测极点配置(GPP)控制、内模控制(1MC)和推理控制(1C)等。

　　现仅以模型算法控制(MAC)为例，说明预测控制的基本原理。MAC系统原理简图如图1所示。

　　模型算法控制(MAC)系统主要包括内部模型、反馈校正、滚动优化计算和参考输入轨迹等几部分。它采用基于脉冲响应的非参数模型作为内部模型，用过去和未来的输入输出信息，根据内部模型，预测系统未来的输出状态，经过用模型输出误差进行反馈校正以后，再与参考输入轨迹进行比较，应用二次型性能指标进行滚动优化，然后再计算当前时刻应加于系统的控制动作，完成整个控制循环。由于这种算法的基本思想是：首先预测 系统未来的输出状态，再去确定当前时刻的控制动作，即先预测后控制，所以具有预见性。它明显优于先有信息反馈，再产生控制动作的经典反馈控制。
3 预测控制的的基本特点

　　3．1 建立预测模型方便

　　用来描述过程动态行为的预测模型可以通过简单的实验得到，不需要深入地了解过程的内部机理，也不需要通过复杂的系统辨识这类建模过程的运算，即可获得预测模型。

　　3．2 采用滚动优化策略
　　预测控制算法与通常的离散最优控制算法不同，不是采用一个不变的全局化目标，而是采用滚动式的有限时域优化策略。这意味着优化过程不是一次离线进行，而是在线反复进行优化计算、滚动实施，从而使模型失配、时变、干扰等引起的不确定性能及时得到弥补，提高了系统的控制效果。

　　3．3 采用模型误差反馈校正

　　由于实际系统中存在非线性、时变、模型失配、干扰等因素的影响，在预测控制算法中，基于不变模型的预测翰出，不可能与系统的实际输出完全一致，而在滚动实施优化过程中，又要求模型输出与系统实际输出保持一致，为此，在预测控制算法中，采用检测实际输出与模型输出之间的误差进行反馈校正来弥补这一缺陷，使滚动优化建立在预测模型输出误差反馈校正的基础上。这种利用实际信息对模型预测的校正，是克服系统中存在的不确定性，提高系统控制精度和鲁棒性的有效措施。

4 预测控制的现场应用[2]

　　火电厂球磨机是一个多变量、大滞后、强耦合的被控过程，而目前国内火电厂所装设的基本上是三套各自独立形成回路的PID控制器，这样，由于系统各变量间耦合严重的 PID控制算法的局限性，以及球磨机内存煤量信号的准确度、灵敏度尚难达到要求等因素，致使这些常规控制系统无法投入自动化运行。

　　用8051单片机加上A／D8路接口和 D／A3路接口及相应的mA／V、V／mA转换电路，并配置了12个控制键及6位数码显示器，组成了MAC—51球磨机控制器。该控制器采用模型算法控制(MAC)，已经在410t／h电站锅炉的DTM320／580球磨机制粉系统上投入自动运行，在各种扰动下；控制器能及时地协调地改变各个控制量，使球磨机的存煤量(用前轴瓦振动信号表示)、出口温度和人口负压均能恢复到设定值，调节过程品质完全满足生产要求。这是常规PID控制器所无法达到的。由于MAC—51球磨柚控制器的投运，能使球磨机自动地保持在经济工况下运行，使磨制每吨煤粉耗电较人工控制可节约3．5KW·h，该厂每年可节约100万KW·h电，所以有较好的经济效益。

　　预测控制不但在电力工业得到应用，而且在化工、石油、冶金、机械、造纸、轻工等其他工业部门也得到了应用。正是预测控制的三个基本特点，即预测模型、滚动优化和反馈校正使它在工业实际应用中受到欢迎、并得到成功应用。此外，由于它采用了多步预测方式，扩大了反映过程未来变化趋势的信息量，因而能克服各种不确定性和复杂变化的影响，使预测控制能在各种复杂生产过程控制中获得好的应用效果，这些是预测控制能得到成功应用的根本原因。

5 结束语

　　因为预测控制具有能适应于复杂生产过程控制的特点，所以，预测控制具有强大的生命力，可以预言，随着预测控制在理论和应用两方面的不断发展和完善，它必将在工业生产过程中发挥越来越大的作用，展现出广阔的应用前景。

参考文献

  1 舒迪前．预测控制系及其应用．北京：工业出版 社，1996

  2 孙德立，余振声．燃煤电站球磨机的模型算法控 制．中国自动化学．会控制理论及其应用年会论 文集 1990

重庆-三季人

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