基于广义预测控制优化的水箱液位控制方法
【专利摘要】本发明公开了自动控制【技术领域】中的一种基于广义预测控制优化的水箱液位控制方法。包括：采集各时刻水箱液位高度和入水阀门开度的数据；根据采集的数据，基于广义预测优化控制算法辨识计算当前时刻入水阀门的PID控制器参数；根据当前时刻入水阀门的PID控制器参数，控制入水阀门开度，进而控制水箱液位；进入下一个时刻，重复上述步骤，对各个时刻入水阀门开度进行控制。本发明公开的自动控制【技术领域】中的一种基于广义预测控制优化的水箱液位控制方法，不仅继承了广义预测控制和PID控制的优良性能，同时形式简单并能满足实际工业过程的需要。
【专利说明】基于广义预测控制优化的水箱液位控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于自动控制【技术领域】，涉及一种基于广义预测控制优化的水箱液位控制方法。
【背景技术】
[0002]液位是工业过程生产中经常遇到的控制参数之一，对控制对象进行精确的液位控制不仅关系到产品的质量，更是保障生产效果和安全的重要问题。因此，液位的控制的精度具有重要的现实意义和广泛的应用前景。PID(比例-积分-微分)控制规律原理简单并且易于实现，对没有时间延迟的单回路控制系统极为有效。广义预测控制作为先进控制方法的一种，控制性能好，抗干扰能力强，如果能将广义预测控制算法的优良性能赋予PID技术，那将更加有利于提高生产效率，同时也能够推动先进控制的发展。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于，提供一种基于广义预测控制优化的水箱液位控制方法，用以解决现有水箱液位控制方法存在的问题，进而提高水箱液位控制性能。
[0004]为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于广义预测控制优化的水箱液位控制方法，其特征是所述方法包括:
[0005]步骤1:采集各时刻水箱液位高度和入水阀阀门开度的数据，基于水箱液位高度和入水阀门开度的数据建立水箱控制系统的模型参数；
[0006]步骤2:根据采集的数据利用最小二乘法辨识整定当前时刻入水阀阀门的PID控制器参数；
[0007]步骤3:根据当前时刻入水阀阀门的PID控制器参数，控制入水阀阀门开度，进而控制水箱液位；
[0008]步骤4:进入下一个时刻，返回步骤I。
[0009]所述根据采集的数据利用最小二乘法辨识整定当前时刻入水阀阀门的PID控制器参数具体包括如下子步骤:
[0010]子步骤Al:以采集的水箱液位高度作为输出数据，采集的入水阀阀门的开度作为输入数据，建立水箱液位高度变化的离散差分方程形式的过程模型；
[0011]子步骤A2:将水箱液位高度变化的离散差分方程形式的过程模型参数代入受控自回归积分滑动平均模型，利用最小二乘法辨识水箱液位高度变化的离散差分方程形式的过程模型参数 akl、bk2 和 ck3 ;其中，kl = 1，2，...，na, k2 = O, I,..., nb, k3 = I, 2,..., nc ；
[0012]子步骤A3:根据所述水箱液位高度变化的离散差分方程形式的过程模型参数akl、\2和ck3，求解受控自回归积分滑动平均模型的后移算子ζ—1的多项式A (ζ—1)和Bk-1)；
[0013]子步骤A4:利用丢番图方程(D1phantine Equat1n) I = Ej (z_1)A(z_1)Δ +z_jF」(ζ—1)，求解丢番图方程多项式 Ej (z—1)、Fj (z—1)、Gj (ζ—1)以及 f」(k) ; j = 1，2，...，P，P为预测长度；
[0014]子步骤A5:利用上面得到的结果求出预测输出并将控制量u(k)进行变化后，将预测输出和变化后的控制量带入目标函数J中进行优化，得到公式
【权利要求】
1.一种基于广义预测控制优化的水箱液位控制方法，其特征是所述方法包括: 步骤1:采集各时刻水箱液位高度和入水阀阀门开度的数据； 步骤2:根据采集的数据利用最小二乘法辨识整定当前时刻入水阀阀门的PID控制器参数； 步骤3:根据当前时刻入水阀阀门的PID控制器参数，控制入水阀阀门开度，进而控制水箱液位； 步骤4:进入下一个时刻，返回步骤I。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述根据采集的数据利用最小二乘法辨识整定当前时刻入水阀阀门的PID控制器参数具体包括如下子步骤: 子步骤Al:以采集的水箱液位高度作为输出数据，采集入水阀阀门开度作为输入数据，建立水箱液位高度变化的离散差分方程形式的过程模型； 子步骤A2:将所述过程模型参数代入受控自回归积分滑动平均模型，利用最小二乘法辨识所述过程模型参数 akl、bk2 和 ck3 ;其中，kl = 1，2，...，na, k2 = O, 1，...，nb, k3 =.12 n.± yy...y 11,-.y 子步骤A3:根据所述过程模型参数akl、bk2和ck3，求解受控自回归积分滑动平均模型的后移算子厂1的多项式A (z_0和B(Z_0 ； 子步骤A4:利用丢番图方程I = EJ(z-1)A(z-1) Λ+ζ-ν^ζ-1)，求解丢番图方程多项式Ej (z—1)、Fj (z—1)、Gj (ζ—1)以及 f」.(k) ; j = 1，2，...，P，P 为预测长度； 子步骤A5:利用上面得到的结果求出预测输出幻，并将控制量u (k)进行变化后，将预测输出和变化后的控制量带入目标函数J中进行优化，得到公式 Jrem-f^f QGE；
{G'QG + R)E' E 子步骤A6:利用公式u0) = ^nk)-nk))1 QGE计算时刻k的入水阀门的piD控制器
{(}'QG+ R)E! E参数；
其中，w(k) = [W1 (k), w2 (k), W3 (k) ]τ ；
W1 (k) = Kp (k) +Ki (k) +Kd (k)；
w2 (k) = -Kp (k) -2Kd (k)；
W3 (k) = Kd (k)； Kp (k)为时刻k入水阀阀门的PID控制器比例参数； Ki (k)为时刻k入水阀阀门的PID控制器积分参数； Kd (k)为时刻k入水阀阀门的PID控制器微分参数；
ref (k)为时刻 k 的参考轨迹向量且 ref (k) = Lref1 (k), ref2 (k),..., refP (k) ]τ ；
ref j (k)为时刻k的参考轨迹中第j个参考点的值且refj(k) = β Jy (k) + (1-β J) c (k)；
y(k)为时刻k水箱液位高度；
c (k)为时刻k的设定值；
β J为设定柔化系数；Q为误差加权矩阵且Q = diag(q1, q2,...qP)；Qj为误差加权矩阵的参数值；j = I, 2,...P ；:/#) = [./;⑷，…,/:.,(/0]7 ;G为由丢番图方程多项式GdP)的系数组成的矩阵；R为控制加权矩阵且A =);rx为控制加权矩阵的参数；I = I, 2,...Nu, Nu为设定控制时域；E = Le1 (k)，G1 (k-1)，e! (k-2) ]τ ；e! (k)为k 时刻入水阀阀门的PID控制器的控制偏差。
【文档编号】G05D9/12GK104076831SQ201410302486
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】刘向杰, 习春苗, 赵亮 申请人:华北电力大学