一种基于模型预测的双回路水箱液位控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动控制技术领域，具体是一种基于模型预测的双回路水箱液位控制 方法。
【背景技术】
[0002] 双回路水箱液位控制系统是工业生产过程中的一种重要的被控对象，其具有典型 的非线性、强耦合、时延等特点，在工业生产过程中扮演着重要的角色。其控制效果不仅关 系到产品的质量，更是关系到生产效益和安全的重要问题。因此对双回路水箱液位的精确 控制具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
[0003] 经典的PID控制器是较常用的双回路水箱液位控制方法，此方法具有控制原理简 单且易于实现的优点，对于没有时延、耦合的简单回路系统具有较好的控制效果。但工业过 程中的双回路水箱液位系统具有典型的非线性、强耦合、时延等特点，同时随着工业过程要 求的不断提高，经典的PID控制器已无法满足实际控制精度的要求。目前主要的双回路水 箱液位控制方法有预测控制、智能控制、解耦控制和模糊控制等。以上几种先进控制算法除 模糊控制不依赖精确的数学模型外，其它如预测控制，解耦控制等都需要在系统数学模型 基础上设计控制器。而模糊控制依赖于模糊规则，总结模糊规则本身比较困难，而且控制规 则一旦确定，在线调整困难，很难适应多变的工业过程控制情况。因此对于双回路水箱液位 控制系统，如何获得精确的数学模型是其控制器设计的重要部分。目前的双回路水箱液位 系统建模方法多采用物理模型或机理模型建模，其强烈依赖于双回路水箱液位系统的实际 物理结构和参数。而在千变万化的实际工业过程中双回路水箱液位系统物理建模参数的获 得也是难题，其不是一种适用广泛、较通用的建模方法。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，针对上述现有技术的不足，提供一种基于模型预 测的双回路水箱液位控制方法，有效提高双回路水箱液位系统控制性能，同时解决双回路 水箱控制系统物理模型、结构参数难以获取的建模问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于模型预测的双回路 水箱液位控制方法，适用于双回路连续给水系统，所述双回路连续给水系统包括从下至上 依次设置的第一水箱、第二水箱和第三水箱；所述第一水箱与水泵连通；所述水泵通过两 根分水管分别与第二水箱、第三水箱连通；所述两根分水管上均安装有电动调节阀；所述 第二水箱和第三水箱底部均安装有排水管，所述排水管上安装有手动阀；所述第二水箱和 第三水箱内均安装有液位传感器；其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0006] 1)实时采集两个电动调节阀的开度数据和第二水箱、第三水箱的液位传感器获取 的液位数据液位数据；
[0007] 2)根据上述开度数据和液位数据，建立双回路连续给水系统依存于水箱液位的非 线性ARX模型，采用SNPOM优化非线性ARX模型参数，采用AIC准则选择非线性ARX模型阶 次；所述非线性ARX模型表达式如下：
【主权项】
1. 一种基于模型预测的双回路水箱液位控制方法，适用于双回路连续给水系统，所 述双回路连续给水系统包括从下至上依次设置的第一水箱（1)、第二水箱（2)和第三水箱 (3);所述第一水箱（1)与水泵（4)连通；所述水泵（4)通过两根分水管分别与第二水箱 (2) 、第三水箱（3)连通；所述两根分水管上均安装有电动调节阀；所述第二水箱（2)和第 三水箱（3)底部均安装有排水管，所述排水管上安装有阀门；所述第二水箱（2)和第三水箱 (3) 内均安装有液位传感器；其特征在于，该方法包括以下步骤： 1) 实时采集两个电动调节阀的开度数据和第二水箱（2)、第三水箱（3)的液位传感器 获取的液位数据； 2) 根据上述开度数据和液位数据，建立双回路连续给水系统依存于水箱液位的非线性 ARX模型，采用SNPOM优化非线性ARX模型参数，采用AIC准则选择非线性ARX模型阶次； 所述非线性ARX模型表达式如下：
其中，l(t) = [lJthUt)]1，li(t)、l2(t)分别为t时刻第二水箱（2)、第三水箱（3) 的输出液位向量；V(t) = [vjt), v2(t)]T，vjt)、v2(t)分别为t时刻两个电动调节阀的开 度向量；npnj别为电动调节阀开度、输出液位的阶次；h、d = dim(w(t-l))分别为RBF网 络的节点数和开度向量的维数；网络的中心向量和缩放因子； <和<.",是 RBF网络相应的权重和阀值；w(t) = [l(t)T，…，l(t-d+l)T]T; | (t)为水箱液位系统建模误 差，为尚斯白噪声； 3) 基于上述步骤3)得到的非线性ARX模型的全局非线性特性设计双回路水箱液位预 测控制器，得到预测控制器结构如下：
其中，
，Np，Nu分别为预测时域和控 制时域，且满足Np> Nu;从NjljNp时域内输入为Nu时刻的输入并保持不变，v(t+s)= v(t+Nu-l)，Np> s彡Nu; ⑴分别表示t时刻的预测输出序列和期望输出序列； AK(〇表示t时刻预测控制增量序列，Av(t) =v(t)-v(t-l) ;Lmin，Lmax分别为输出液位下 限幅序列和上限幅序列；A Vmin，A 分别为输入阀门开度下限幅序列和上限幅序列；Rp R2为控制加权矩阵；Q为误差加权矩阵；,W + 1 为t时刻预测出的t+1时刻的输出液位； 1 (t+111)为t时刻输出液位的t+1时刻的期望值； 4)控制加权矩阵&、R2，误差加权矩阵Q，控制时域Nu，预测时域N p，最终达到液位控制 性能指标。
2. 根据权利要求1所述的基于模型预测的双回路水箱液位控制方法，其特征在于，R : =[00]，R2= [0? 20. 35]，Q = [11]，Nu= 6, Np= 25。
3. 根据权利要求1或2所述的基于模型预测的双回路水箱液位控制方法，其特征在于， 所述排水管上安装的阀门为手动阀。
【专利摘要】本发明公开了一种基于模型预测的双回路水箱液位控制方法，依据双回路水箱液位系统的输入阀门开度和输出液位的历史数据，对水箱液位系统进行离线辨识，建立系统的依存于水箱液位非线性ARX全局非线性数学模型；对非线性ARX模型进行参数优化，采用AIC准则确定非线性ARX模型的阶次；基于离线辨识获得的依存于水箱液位非线性ARX模型的全局非线性特性，采用标准的二次型性能指标，设计非线性预测控制算法，在每个采样时刻利用依存于水箱液位非线性ARX模型的全局非线性特性，获得预测控制量v；通过整定预测控制器参数，达到液位控制性能指标。本发明方法将系统辨识技术和自动控制技术相结合，是一种适用性广的双回路水箱液位系统建模和预测控制方法。
【IPC分类】G05D9-12, G05B13-04
【公开号】CN104615161
【申请号】CN201510033209
【发明人】彭辉, 周锋, 覃业梅, 顾云峰
【申请人】中南大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月22日