半自适应预测控制系统设计与机理研究

The research of semi-adaptive predictive control based on the performance monitoring of the control system is presented on the performance assessment and sustainment of multivariable constrained predictive control system. Predictive control has become the standard technology to solve the control problems of complex multivariable constrained systems in process control area. Many application examples indicate that predictive control can increase the stability and economic performance of the industrial process to a certain degree. However, as some process equipments or key elements or media have the character of lifecycle, which lead the slow time-varying feature of the dynamic model, the stability and economic performance of the control system will degenerate as time goes on. The distribution of performance index function of predictive control under the framework of offset-free control will be researched. The perfomance of the control system will be accessed by the test of hypothesis which can be used to set the performance metrics of multivariable constrained predictive control,to monitor and diagnosis the performance of the control system in real time.The above research subjects are based on the results of multivariable constrained predictive control in earlier research work. When there is big model mismatch, design the online signal generator with constraint control strategy, verify and validate the model identification, and then update the model in the controller online. Designing and researching the mechanism of the semi-adaptive predictive controller will solve the problems of performance degeneration of predictive control system caused by model factors.

基于控制系统性能监控的半自适应预测控制研究是在多变量有约束预测控制系统性能评估与维护基础上提出的。在过程控制领域，预测控制已经成为解决多变量有约束复杂控制问题的标准技术手段，大量应用实例表明预测控制可以在一定程度上提高工业过程的平稳性和经济性。但是，由于生产装置与设备以及一些关键器件或介质通常具有生命周期特征，导致过程动态特性具有慢时变特点，引起控制系统稳定性和经济性的退化。本课题将在前期多变量有约束预测控制研究成果基础上，在无静差预测控制的体系框架下研究预测控制器性能指标函数的分布特性，通过假设检验方法评估控制系统的性能，建立适用于多变量有约束预测控制系统的性能评价基准，实时地监控与诊断控制系统性能。当系统出现较大模型失配时，结合预测控制的约束控制策略设计在线信号发生器，并对辨识模型校验、确认与在线更新。对半自适应预测控制进行综合设计与机理分析，解决由模型因素引起的预测控制性能退化问题。

模型失配是引起预测控制系统稳定性和经济性的退化最主要原因。本项目研究工作包括：从应用基础研究角度出发，对半自适应预测控制的系统设计与相关机理进行了研究，包括双层结构预测控制系统性能诊断与分析，半自适应预测控制器的设计，和半自适应预测控制的机理分析与验证。.主要研究成果包括：研究了模型病态、输入执行机构故障及输出测量装置故障、网络时延、数据丢包情形下对控制系统性能的影响，并提出了相应的处理策略。找到了应对积分变量受不可测扰动影响较严重这一问题的解决办法，通过建立不可测扰动建模，量化其对控制性能的影响，并以此为依据实时调整积分变量的旋转因子，实现半自适应的预测控制系统，研究了扩展卡尔曼滤波，提出了分布式状态估计方法，并讨论了分布式状态估计的子系统分解方法。给出了分布式滤波器的详细设计方案和相关的分布式状态估计算法。. 项目的一个主要研究工作是研究尽可能在开环的情况下进行在线的数据测试和辨识，并保证测试数据具有较好的信噪比。提出了一种多变量半自适应预测控制系统架构。该架构将传统的控制模式改变为测试模式，变传统的设定值控制为区间控制，从而实现了测试过程的输出变量约束满足。所提出的半自适应预测控制体系架构能够在确保生产正常进行的前提下，实现过程的开环测试，提高测试效率，并通过极大化测试信号的幅值来确保测试过程的信噪比。提出的测试方法是一种在线开环测试，避免了闭环测试过程中测试输入信号与不可测噪声的相关性问题。. 项目进展过程中另一项重要工作就是工程验证，在项目执行期间，分别在了陕鼓集团秦风气体扬州分公司3万立/小时大型空分装置、中石油抚顺石化乙烯裂解炉、天津立中合金集团有限公司铝合金熔炼炉进行了预测控制应用验证。一方面验证了本项目的部分研究成果的工程价值，另一方面也使项目研究人员认识到控制系统结构设计在预测控制系统设计中的关键作用。