一種基于模型預測的雙回路水箱液位控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及自動控制技術領域，具體是一種基于模型預測的雙回路水箱液位控制 方法。
【背景技術】
[0002] 雙回路水箱液位控制系統是工業生產過程中的一種重要的被控對象，其具有典型 的非線性、強耦合、時延等特點，在工業生產過程中扮演著重要的角色。其控制效果不僅關 系到產品的質量，更是關系到生產效益和安全的重要問題。因此對雙回路水箱液位的精確 控制具有重要的現實意義和廣闊的應用前景。
[0003] 經典的PID控制器是較常用的雙回路水箱液位控制方法，此方法具有控制原理簡 單且易于實現的優點，對于沒有時延、耦合的簡單回路系統具有較好的控制效果。但工業過 程中的雙回路水箱液位系統具有典型的非線性、強耦合、時延等特點，同時隨著工業過程要 求的不斷提高，經典的PID控制器已無法滿足實際控制精度的要求。目前主要的雙回路水 箱液位控制方法有預測控制、智能控制、解耦控制和模糊控制等。以上幾種先進控制算法除 模糊控制不依賴精確的數學模型外，其它如預測控制，解耦控制等都需要在系統數學模型 基礎上設計控制器。而模糊控制依賴于模糊規則，總結模糊規則本身比較困難，而且控制規 則一旦確定，在線調整困難，很難適應多變的工業過程控制情況。因此對于雙回路水箱液位 控制系統，如何獲得精確的數學模型是其控制器設計的重要部分。目前的雙回路水箱液位 系統建模方法多采用物理模型或機理模型建模，其強烈依賴于雙回路水箱液位系統的實際 物理結構和參數。而在千變萬化的實際工業過程中雙回路水箱液位系統物理建模參數的獲 得也是難題，其不是一種適用廣泛、較通用的建模方法。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是，針對上述現有技術的不足，提供一種基于模型預 測的雙回路水箱液位控制方法，有效提高雙回路水箱液位系統控制性能，同時解決雙回路 水箱控制系統物理模型、結構參數難以獲取的建模問題。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：一種基于模型預測的雙回路 水箱液位控制方法，適用于雙回路連續給水系統，所述雙回路連續給水系統包括從下至上 依次設置的第一水箱、第二水箱和第三水箱；所述第一水箱與水泵連通；所述水泵通過兩 根分水管分別與第二水箱、第三水箱連通；所述兩根分水管上均安裝有電動調節閥；所述 第二水箱和第三水箱底部均安裝有排水管，所述排水管上安裝有手動閥；所述第二水箱和 第三水箱內均安裝有液位傳感器；其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0006] 1)實時采集兩個電動調節閥的開度數據和第二水箱、第三水箱的液位傳感器獲取 的液位數據液位數據；
[0007] 2)根據上述開度數據和液位數據，建立雙回路連續給水系統依存于水箱液位的非 線性ARX模型，采用SNPOM優化非線性ARX模型參數，采用AIC準則選擇非線性ARX模型階 次；所述非線性ARX模型表達式如下：
【主權項】
1. 一種基于模型預測的雙回路水箱液位控制方法，適用于雙回路連續給水系統，所 述雙回路連續給水系統包括從下至上依次設置的第一水箱（1)、第二水箱（2)和第三水箱 (3);所述第一水箱（1)與水泵（4)連通；所述水泵（4)通過兩根分水管分別與第二水箱 (2) 、第三水箱（3)連通；所述兩根分水管上均安裝有電動調節閥；所述第二水箱（2)和第 三水箱（3)底部均安裝有排水管，所述排水管上安裝有閥門；所述第二水箱（2)和第三水箱 (3) 內均安裝有液位傳感器；其特征在于，該方法包括以下步驟： 1) 實時采集兩個電動調節閥的開度數據和第二水箱（2)、第三水箱（3)的液位傳感器 獲取的液位數據； 2) 根據上述開度數據和液位數據，建立雙回路連續給水系統依存于水箱液位的非線性 ARX模型，采用SNPOM優化非線性ARX模型參數，采用AIC準則選擇非線性ARX模型階次； 所述非線性ARX模型表達式如下：
其中，l(t) = [lJthUt)]1，li(t)、l2(t)分別為t時刻第二水箱（2)、第三水箱（3) 的輸出液位向量；V(t) = [vjt), v2(t)]T，vjt)、v2(t)分別為t時刻兩個電動調節閥的開 度向量；npnj別為電動調節閥開度、輸出液位的階次；h、d = dim(w(t-l))分別為RBF網 絡的節點數和開度向量的維數；網絡的中心向量和縮放因子； <和<.",是 RBF網絡相應的權重和閥值；w(t) = [l(t)T，…，l(t-d+l)T]T; | (t)為水箱液位系統建模誤 差，為尚斯白噪聲； 3) 基于上述步驟3)得到的非線性ARX模型的全局非線性特性設計雙回路水箱液位預 測控制器，得到預測控制器結構如下：
其中，
，Np，Nu分別為預測時域和控 制時域，且滿足Np> Nu;從NjljNp時域內輸入為Nu時刻的輸入并保持不變，v(t+s)= v(t+Nu-l)，Np> s彡Nu; ⑴分別表示t時刻的預測輸出序列和期望輸出序列； AK(〇表示t時刻預測控制增量序列，Av(t) =v(t)-v(t-l) ;Lmin，Lmax分別為輸出液位下 限幅序列和上限幅序列；A Vmin，A 分別為輸入閥門開度下限幅序列和上限幅序列；Rp R2為控制加權矩陣；Q為誤差加權矩陣；,W + 1 為t時刻預測出的t+1時刻的輸出液位； 1 (t+111)為t時刻輸出液位的t+1時刻的期望值； 4)控制加權矩陣&、R2，誤差加權矩陣Q，控制時域Nu，預測時域N p，最終達到液位控制 性能指標。
2. 根據權利要求1所述的基于模型預測的雙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. 根據權利要求1或2所述的基于模型預測的雙回路水箱液位控制方法，其特征在于， 所述排水管上安裝的閥門為手動閥。
【專利摘要】本發明公開了一種基于模型預測的雙回路水箱液位控制方法，依據雙回路水箱液位系統的輸入閥門開度和輸出液位的歷史數據，對水箱液位系統進行離線辨識，建立系統的依存于水箱液位非線性ARX全局非線性數學模型；對非線性ARX模型進行參數優化，采用AIC準則確定非線性ARX模型的階次；基于離線辨識獲得的依存于水箱液位非線性ARX模型的全局非線性特性，采用標準的二次型性能指標，設計非線性預測控制算法，在每個采樣時刻利用依存于水箱液位非線性ARX模型的全局非線性特性，獲得預測控制量v；通過整定預測控制器參數，達到液位控制性能指標。本發明方法將系統辨識技術和自動控制技術相結合，是一種適用性廣的雙回路水箱液位系統建模和預測控制方法。
【IPC分類】G05D9-12, G05B13-04
【公開號】CN104615161
【申請號】CN201510033209
【發明人】彭輝, 周鋒, 覃業梅, 顧云峰
【申請人】中南大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月22日