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模型预测控制的抗扰性能分析与改进方法研究

作　者: 王文博
导　师: 赵均；徐祖华；邵之江
学　校: 浙江大学
专　业: 系统工程
关键词: 模型预测控制 扰动抑制性能 频域分析 低通滤波器 参数设计
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着工业系统的日益复杂,大量复杂、时变的扰动越来越严重地影响控制系统的性能,进而影响产品的质量以及系统的安全运行。这对控制算法的扰动抑制性能提出了更高的要求。模型预测控制已经发展成为具有丰富的理论和广泛的应用的先进控制方法。但是,目前在工业界广泛应用的动态矩阵控制算法(DMC)的扰动抑制作用比较迟滞,不能很好的抑制复杂时变的扰动。因此,本文对模型预测控制的扰动抑制策略进行了较为深入的研究,从时域和频域两方面分析现有的扰动抑制策略的抗扰性能并改进了扰动自适应预测控制算法。全文的主要研究工作与贡献如下：1.对模型预测控制算法三种不同扰动抑制策略的时域性能进行了研究。分析比较了基于阶跃扰动模型、基于卡尔曼滤波技术和采用自适应扰动模型的扰动抑制策略的原理和特点。仿真研究了三种扰动抑制方法对工业过程中典型的随机扰动、周期性扰动和原油切换扰动的抑制能力。采用基于MVC准则的性能评估算法对扰动抑制性能进行了比较,结果表明扰动模型自适应策略对上述常见扰动具有良好的抑制能力。2.对无约束模型预测控制的闭环结构进行了分析。在此基础上,给出了模型预测控制扰动抑制性能的频域分析方法。研究了三种扰动抑制策略的闭环灵敏度函数、带宽等频域指标的计算方法,考察闭环系统的调节速度、鲁棒性以及对不同频率扰动的抑制程度,弥补了时域分析方法的不足。频域仿真表明扰动自适应策略对低频扰动的抑制能力最强,系统的带宽大而鲁棒性稍差。3.针对扰动自适应预测控制算法控制作用包含较多高频分量的问题,提出一种基于低通滤波技术的改进算法。改进算法通过对预测误差信号进行指数加权平滑来削弱高频扰动的影响。时域与频域分析仿真结果表明：改进算法有效削弱了控制作用的高频波动,改善了系统对高频扰动的抑制能力,增强了系统的鲁棒性。4.对扰动自适应预测控制算法的参数设计进行了研究。结合仿真实例,分析了时间序列扰动模型ARMA的阶次、递推辨识算法中的迭代次数、扰动预测时域、滤波器增益等参数的选取与扰动抑制性能的关系,提出了参数设计的经验准则。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-13
第一章 绪论  13-25
  1.1 引言  13-14
  1.2 预测控制的基本原理和特征  14-17
    1.2.1 预测模型  14-15
    1.2.2 滚动优化  15-16
    1.2.3 反馈校正  16
    1.2.4 预测控制的特点与应用  16-17
  1.3 预测控制的扰动抑制策略  17-21
    1.3.1 可测扰动的抑制  17-18
    1.3.2 不可测扰动的抑制  18-21
  1.4 扰动抑制性能分析方法  21-23
    1.4.1 时域分析方法  21-22
    1.4.2 频域分析方法  22-23
  1.5 本文的内容与结构  23-25
第二章 模型预测控制的扰动抑制策略研究与分析  25-51
  2.1 引言  25
  2.2 基于阶跃扰动模型的扰动抑制  25-29
    2.2.1 预测模型  26-27
    2.2.2 反馈校正与无偏控制  27-28
    2.2.3 滚动优化  28-29
  2.3 基于卡尔曼滤波技术的扰动抑制  29-35
    2.3.1 状态观测器与卡尔曼滤波  30-34
    2.3.2 状态预测  34-35
  2.4 基于自适应扰动模型的扰动抑制  35-42
    2.4.1 时间序列模型及其参数估计  35-38
    2.4.2 扰动模型的自适应辨识  38-40
    2.4.3 基于辨识模型的扰动预测  40-42
  2.5 预测控制扰动抑制策略的仿真研究  42-49
    2.5.1 随机扰动抑制  42-45
    2.5.2 周期性扰动抑制  45-46
    2.5.3 多变量系统仿真  46-49
  2.6 小结  49-51
第三章 预测控制的频域特性分析  51-67
  3.1 引言  51
  3.2 预测控制的闭环结构  51-55
    3.2.1 状态空间模型框架下的闭环结构  52-53
    3.2.2 控制器闭环参数的求解  53-55
  3.3 抗扰性能的频域分析  55-61
    3.3.1 抗扰性能的频域衡量指标  55-57
    3.3.2 状态观测器设计  57-61
  3.4 仿真研究  61-66
    3.4.1 随机扰动抑制  61-64
    3.4.2 原油切换扰动抑制  64-66
  3.5 小结  66-67
第四章 扰动自适应预测控制的算法改进与参数设计  67-87
  4.1 引言  67
  4.2 DMCA算法改进  67-78
    4.2.1 控制信号的频谱分析  67-70
    4.2.2 基于低通滤波技术的改进算法  70-74
    4.2.3 改进算法的频域特性分析  74-76
    4.2.4 仿真研究  76-78
  4.3 DMCA的参数设计  78-86
    4.3.1 控制器常规参数  79-81
    4.3.2 扰动模型参数  81-86
  4.4 小结  86-87
第五章 总结与展望  87-89
参考文献  89-93
作者攻读硕士学位期间撰写的学术论文  93

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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