多变量预测控制

第六讲MIMO系统的约束预测控制内容•多变量约束控制问题•APC软件产品介绍•预测控制器MDMC_LP预测模型、设定值操作优化、动态最优控制•工业应用——原油常压塔温度分布控制工业过程对APC的控制要求•改善控制系统性能，包括跟踪特性、抗干扰特性；•适应多变量、强关联、大时滞、不确定时滞等复杂特性；•满足对控制变量、被控变量和中间变量的约束；•降低操作成本，追求产量最高、能耗最小等效益指标。商品化预测控制软件公司产品名产品功能AdersaHieConPFC递阶约束控制预测函数控制DMCDMCDMI动态矩阵控制动态矩阵辨识HoneywellProfimaticsRMPCAPCT鲁棒模型预测控制技术预测控制技术SetpointSMCA多变量控制软件包MIMO系统的受约束控制问题多变量被控过程MVsDVsCVsAVs1,,1,0],,1[),()()(max,min,NUpnuikupkukuiii1,,1,0],,[),()()(max,min,NUpnulikupkukuiii211max,min,,,1,],,1[),()|()(NNNpnyjkykpkykyjjj•控制变量（MVs）约束：•输出变量（CVs,AVs）约束：MDMC_LP控制器结构设定值动态优化(线性规划)约束条件操作目标预测模型动态矩阵控制(二次规划)受约束多变量被控过程过程测量信息Ysp(k)Usp(k)ΔU(k)MDMC_LP中的预测模型)|()()()|(01kpkyjpkujSkpkypjy)1|()()1|()|(000kkykykpkykpkym)|())1()()(()(0kNkykukuNSkysys•动态预测模型：•稳态预测模型：设定值操作优化问题)()())((min)(YHTYHYLTYLYsTUskuswswkuwkuJS•操作优化目标：•约束条件：)()()(maxminkukukusYHsYLskykysky)()()(maxmin0,YHYLss0,,YHYLww其中us(k)、ys(k)分别为u(k)、y(k)的稳态预测值。设定值操作优化问题求解•线性规划问题：,minsTsxcJ0,.ssssxbxAtosubYHYLussskxx)(其中YHYYLYUsnyynyynusINSINSIA0)(0)(00)()()()()()(1maxmin1minmaxkykykykykukubs)()()(minkukxkuus)()()()(1kykxNSkyuys动态最优控制问题NUlsjjnujjNUljnujjDUNPpsiinyiikulkurlkurkykpkyruJ121312121211)]()1([)1()]()|([)(•目标函数：•控制目标：（1）尽可能地减少被控变量与其设定值之间的偏差；（2）尽可能地减少控制变量的振荡；（3）希望控制变量与其稳态工作点之间的偏差尽可能小以满足对辅助变量的约束，并实现操作成本的最小化。原油常减压蒸馏过程初馏塔初顶汽油原油常压塔常顶汽油常一线常二线常三线减压炉减压塔减一线油常底渣油减二线油减三线油减四线油减底渣油真空泵减顶油常压炉电脱盐原油常压塔侧线温度控制问题常一线流量常二线流量常三线流量常压塔操作变量(MV)F1F2F3常一线抽出板温度T1T2T3受控变量(CV)常二线抽出板温度常三线抽出板温度外部扰动•控制目的：减少各侧线产品质量的波动，克服原油处理量与性质变化对常压塔操作的影响。常压塔侧线温度与抽出量的关系)()()(114925.0112756.115.60.10111652.016867.00015524.0)()()(321432222321sFsFsFesesesesesessTsTsTssssss其中，各稳态增益的单位为℃/（T/Hr），一阶时间常数与纯滞后时间的单位均为分.常压塔APC投用效果00:0006:0012:0018:0000:0016017018019020021000:0006:0012:0018:0000:00160170180190200210投用后常一线抽出塔盘温度常压塔APC投用效果（续1）投用后常二线抽出塔盘温度00:0006:0012:0018:0000:0026527027528028500:0006:0012:0018:0000:00265270275280285常压塔APC投用效果（续2）投用后常三线抽出塔盘温度00:0006:0012:0018:0000:0033033534034535000:0006:0012:0018:0000:00330335340345350常压塔APC抗干扰性能13:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0065707513:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0033033534034535013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0016017018019020021013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00265270275280285处理量的变化常一线温度变化常二线温度变化常三线温度变化常压塔APC系统评价•先进控制系统的投用显著地减少了侧线温度的波动；•对原油处理量的改变与原油性质的变化，常压塔的操作自适应能力提高；•先进控制系统投用后，各侧线产品的重叠度减少，合格率显著提高；•系统性能与预测模型的精度相关。当操作方案发生大的改变或原油处理量变化过大时，需要重新进行模型测试。