一种自适应双层结构预测优化控制方法

本发明属于多层级优化控制，具体涉及一种自适应双层结构预测优化控制方法。

背景技术：

1、随着科技推动工业生产力的迅猛发展，现代工业生产规模更加大型化复杂化，与此同时，生产者却对生产力的要求逐渐提高，不仅要保证产能和产品质量，而且要实现经济效益最大化和成本代价最小化。在现有工业生产过程中采用分层递阶结构，上层实时优化层通过经济最优化全局生产目标获得最优工作点，再将其传递给下层动态控制层并作为该层的设定值，优化计算出最优的操作变量，并驱使系统达到最优工作点，实现降本增效的目标。然而现有分层递阶结构仍然存在两点不足。

2、第一点，由于实时优化层通常采用非线性稳态模型，而动态控制层采用线性动态模型，导致实时优化层计算的稳态最优工作点在动态控制层不可达，而且实时优化层执行频率较慢，而动态控制层执行频率较快，在实时优化层的一个执行周期内会出现由于扰动等不确定性因素造成最优工作点迁移却没有及时纠偏而降低系统的最优性能。

3、第二点，在实际工业生产过程中，系统总是存在一些扰动和不确定性，现有动态控制层大多直接采用线性动态模型而忽略了这些扰动和不确定性，这样会显著降低系统的性能，特别是对于生产过程波动较大的系统，甚至会造成系统不稳定，传统控制策略很难解决扰动和不确定性问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种自适应双层结构预测优化控制方法，能够有效解决系统模型的不确定性问题，保证系统的闭环稳定性，有效提升系统的最优性能。

2、本发明采取的技术方案具体如下：

3、一种自适应双层结构预测优化控制方法，将原动态控制层分为一种双层优化控制结构，其特征在于：在包括稳态目标优化层和动态控制层的双层结构框架下，所述稳态目标优化层采用线性稳态增益矩阵，设计稳态目标优化性能函数；

4、所述动态控制层采用自适应模型预测控制方法，所述自适应模型预测控制方法还包括以下步骤：

5、s1：设计线性系统动态模型；

6、s2：设计自适应估计模型；

7、s3：设计自适应模型预测控制策略。

8、所述s1中，线性系统动态模型建模如下：

9、

10、其中，xa(k)∈rn,ua(k)∈rm,ya(k)∈rp分别表示系统在k时刻的状态、控制输入和被控输出；状态矩阵aa∈rn×n，输入矩阵ba∈rn×m是不确定恒定矩阵，输出矩阵c∈rp×n是一个已知的常值矩阵。

11、将原系统模型(1)转换为增量形式：

12、

13、其中，为当前时刻和上一时刻的状态之差；为当前时刻和上一时刻的输入之差；y(k)＝ya(k)为系统的被控输出；c＝[0p×n ip×p]分别为系统增量模型的状态矩阵、输入矩阵和输出矩阵。

14、所述s2中，所述估计系统模型为：

15、

16、系统状态和估计系统状态分别为：

17、

18、其中，根据式(4)得到系统状态估计误差为：

19、

20、其中，关于系统状态估计误差的代价函数为：

21、

22、其中，代价函数关于估计矩阵的梯度为梯度下降法最小化代价函数得到参数估计矩阵为：

23、

24、其中，λ＞0，不断迭代更新系统模型参数的估计矩阵

25、根据估计系统(3)的动态模型得到系统稳态模型为：

26、yss＝gssuss (8)

27、其中，yss、uss和gss分别为系统达到稳态后的稳态输出、稳态输入以及稳态增益矩阵；并采用软约束ξ放松系统稳态目标值yss及稳态最优值y*之间的关系。

28、所述系统稳态目标性能函数如下：

29、

30、系统稳态目标满足约束条件为：

31、

32、其中，qss和rss为对称正定矩阵，qss为非负矩阵，和y分别表示输出的上下界约束，和u分别表示输入的上下界约束。

33、根据预测输出和测量输出y(k)之间的偏差e对稳态目标值进行反馈矫正：

34、yss＝gssuss+e (11)

35、其中，求解稳态目标优化层的稳态目标工作点(uss,yss)，并传递给动态控制层作为新的设定值。

36、所述s3中，自适应模型预测控制采用终端约束，所述自适应模型预测控制代价函数如下：

37、

38、其中，权重矩阵q1，r1和q2为正定矩阵。

39、采用min-max优化方法求解优化问题(12)：

40、

41、满足约束条件：

42、

43、

44、

45、

46、

47、

48、其中，式(14a)表示当前可测量输出；式(14b)和(14c)是系统的动态约束；式(14d)和(14e)分别为输入约束、输出约束；yf∈rp是终端约束集；

49、表示所有估计参数的元素属于一个估计参数集合。

50、本发明取得的技术效果为：

51、本发明提出一种自适应双层结构预测优化控制方法，将原双层优化结构的下层动态控制层重新分为一个双层优化控制结构，包括稳态目标优化层和动态控制层。在稳态目标优化层，采用线性稳态增益矩阵在可行域范围内优化经济效益和变量移动的代价得到稳态目标工作点并传递给动态控制层；在动态控制层，设计自适应模型预测控制方法，采用带有自适应更新率的估计模型替代原有的参数不确定性模型，求解最优控制输入并传递给基础控制层，有效解决系统模型的不确定性问题，保证系统的闭环稳定性。稳态目标优化层运行频率与动态控制层执行频率相同，有效提升了系统的最优性能。

技术特征：

1.一种自适应双层结构预测优化控制方法，其特征在于：在包括稳态目标优化层和动态控制层的双层结构框架下，所述稳态目标优化层采用线性稳态增益矩阵，设计稳态目标优化性能函数；

2.根据权利要求1所述的一种自适应双层结构预测优化控制方法，其特征在于：所述s1中，线性系统动态模型如下：

3.根据权利要求1所述的一种自适应双层结构预测优化控制方法，其特征在于：将原始系统模型(1)转换为增量形式：

4.根据权利要求1所述的一种自适应双层结构预测优化控制方法，其特征在于：所述s2中，估计系统模型为：

5.根据权利要求4所述的一种自适应双层结构预测优化控制方法，其特征在于：根据估计系统(3)的动态模型得到所述s3中的稳态模型：

6.根据权利要求1所述的一种自适应双层结构预测优化控制方法，其特征在于：所述系统稳态目标性能函数如下：

7.根据权利要求1所述的一种自适应双层结构预测优化控制方法，其特征在于：引入预测输出和测量输出y(k)之间的偏差e对稳态目标值进行反馈矫正：

8.根据权利要求1所述的一种自适应双层结构预测优化控制方法，其特征在于：所述s3中，自适应模型预测控制采用终端约束，所述自适应模型预测控制代价函数如下：

9.根据权利要求8所述的一种自适应双层结构预测优化控制方法，其特征在于：采用min-max优化方法求解约束优化问题(12)：

技术总结本发明属于多层级优化控制技术领域，具体涉及一种自适应双层结构预测优化控制方法，其特征在于：包括稳态目标优化层和动态控制层。所述稳态目标优化层采用稳态目标优化性能函数，求解得到稳态目标工作点传递给动态控制层；所述动态控制层采用自适应模型预测控制方法，设计不确定参数的自适应更新率，采用带有自适应更新率的估计模型替代原有的参数不确定性模型，设计模型预测控制策略求解最优控制输入并传递给基础控制层。本发明能够有效解决系统模型的不确定性问题，保证系统的闭环稳定性，有效提升系统的最优性能。技术研发人员：彭锋,王桐,杨学博,秦晨辉受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9