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1、第10卷 第3期北华大学学报(自然科学版)Vol . 10 No. 32009年6月JOURNAL OF BE IHUA UN IVERSITY (Natural Science)Jun. 2009文章编号: 100924822 (2009) 0320285204动态矩阵控制在电阻炉温度控制系统中的应用刘桂英,杭进(北华大学电气信息工程学院,吉林 吉林132021 )摘要:通过对电阻炉动态对象特性的研究以及预测控制方法的改进,比较了动态矩阵控制和PID控制在电阻炉温度控制系统中的应用效果.仿真结果表明: DMC不但克服了建模的不精确性和参数的时变性,而且根据给定的期望曲线,实现了比PID控制更
2、令人满意的性能指标.关键词:动态矩阵控制;预测控制;温度控制;计算机仿真中图分类号: TP273文献标识码: A收稿日期: 2008210211作者简介:刘桂英( 1975 - ) ,女,讲师,主要从事控制理论与控制工程研究.Appli cation of DMCin the TemperatureControlSyste m of Electri cal Resistance FurnaceL IU Gui2ying, HANG Jin(ElectricalInformation Engineering College of B eihua University, Jilin 132021,
3、 China )Abstract:W ith the researchof dyna mic characteristic of electrical resistancefurnace and the improvements ofMPC in detail, the effectsbetweenDMC and PI D in the te mperature control syste m of electrical resistancefurnacewas compared . The results confirmed that DMCnot only overcomes the in
4、accuracy of the models and thevariability of the para meters, but also achieves better performance index than PI Din accordance withtheexpectation of given curve .Key words: DMC;MPC; Te mperature control; Computer simulation电阻炉的炉温动态特性具有容积滞后大,对象增益 、 滞后时间均与工作温度有关等特点,传统的PI D控制算法只能在工作点附近小范围内取得好的控制效果,对于整
5、个过程控制效果不好.虽然采用大林算法 、 S mith预估补偿算法可以提高控制精度,但是这些算法都是建立在获得精确的对象模型基础上的,在实际应用时很难得到对象的精确模型,因此控制效果不是很理想. 人们一直在寻找一种对模型精度要求不高又同样能实现高质量控制性能的方法,预测控制就是比较好的一种方法 1,它是在工业实践中独立发展起来的算法,建模方便,控制效果良好,易于实现,一经问世便在石油、 电力 、 航空等领域得到推广应用.动态矩阵控制(DMC)是近年来在工业过程控制领域中得到广泛重视和应用的一类预测控制算法 224,它能直接处理带有纯滞后的对象,对大惯性有较强的适应能力,从而有良好的跟踪性能和较
6、强的鲁棒性. 本文研究了DMC在电阻炉温度控制系统中的应用.1预测控制预测控制是一种基于预测模型、 滚动优化 ,结合反馈校正的优化控制算法,其控制原理见图1. 具有如下特点 :图1预测控制原理F ig . 1Pr in ciple of pred icti ve con trol1) 预测模型:预测控制是一种基于模型的控制算法,这一模型称为预测模型. 预测模型的功能是根据对象的历史信息和未来输入预测其未来输出 . 这里只强调模型的功能而不强调其结构形式 .2) 滚动优化 :预测控制是一种优化算法,它是通过某一性能指标的最优来取得未来控制作用的 ,与通常的离散最优控制算法不同,不是采用一个对全局
7、相同的优化性能指标,而是在每一时刻有一个相对于该时刻的优化性能指标.不同时刻优化性能指标的相对形式是相同的,但其绝对形式,即所包含的时间区域则是不同的. 因此 ,在预测控制中,优化不是一次离线进行,而是反复在线进行,这就是滚动优化的含义,也是预测控制区别于传统最优控制的根本点 .3) 反馈校正 :预测控制是一种闭环控制算法.由于实际系统受非线性、 时变 、 模型失配 、 干扰等因素的影响 ,基于不变模型的预测输出不可能与系统的实际输出完全一致,而在滚动实施优化过程中,又要求模型输出与系统实际输出保持一致,为此 ,在预测控制算法中,采用检测实际输出与模型输出之间的误差进行反馈校正来弥补这一缺陷.
8、因此 ,预测控制中的优化不仅基于模型,而且利用了反馈信息,因而构成了闭环优化.2DMC控制在电阻炉温度控制系统中的应用DMC的主要特征是预测模型采用阶跃响应特性建模;设计过程中固定格式:用二次型目标函数决定控制量最优值增量序列;自校正动态矩阵控制等多种算法;参数调整:用改变二次型目标函数中的权系数阵来实现 .2. 1电阻炉温度控制对象的特点针对网带式电阻炉的非线性、 大滞后 、 参数时变等特点,对于电阻炉加热系统,其数学模型可以认为是一阶时间延迟模型,即G ( s)=50e- 700 s7 200s+ 1.2. 2一般对象DMC 控制的参数整定步骤为了增加参数整定的规律性,提出了适用于一般对象
9、DMC控制的参数整定步骤:1)根据对象类型和动态特性确定采样周期,测试相应采样周期下经光滑之后的阶跃相应系数ai.这里,模型系数应尽可能平滑变化,以消除测量噪声和干扰的影响,否则将严重影响控制系统的稳定性和动态性能.所以,宁肯放弃模型与实际响应的完全匹配而构造一个光滑的响应模型.模型维数一般取2050.若根据抗干扰的要求有必要进一步减小采样周期,则可以对模型进行截断,来保持较低的模型维数.2)取优化时域P覆盖阶跃响应的主要动态部分,而不是要取到整个阶跃响应结果.初选P之后,输出偏差加权系数qi= 0(时滞和反向部分), qi= 1(其他部分).3)先令R= 0,并取控制时域M=12(对动态简单
10、对象) ,M= 48(包括振荡的动态复杂对象).4)计算控制系数di,进行仿真,检验控制系统的动态响应.若不稳定或动态过于缓慢,可调整P,直到满意为止.5)若上述控制的控制量变化幅度较大,可加大R值.在上述参数的基础上,根据控制要求的侧重点,选择校正参数向量h,兼顾鲁棒性和抗干扰性的要求.令P=20, M= 4.682北华大学学报(自然科学版)第10卷2. 3MATLAB /SI MUL I N K仿真2. 3. 1PI D控制仿真1)系统在零扰动下的仿真输出. 在 SI MUL I NK平台下 ,建立名为“ 2. mdl” 的系统结构,如图2所示 .通过调节PI D控制器的参数Kp, Ki,
11、 Kd及反馈系数K得到最佳输出波形,其中,PI D调节器参数Kp= 90, Ki=0.02, Kd= 0;反馈系数K= 0.001.仿真输出波形见图3.图2模型零扰动作用下P ID控制结构F ig. 2PID con trol structureofm odel underzero d isturbance图3模型零扰动作用下系统输出F ig . 3Systemoutputof m odelunder zero d isturbance2)系统在阶跃扰动下的仿真输出. 在 SI MUL I NK平台下 ,建立名为“ 4. mdl” 的系统结构,如图4所示 .其中 , PI D 参数Kp=85,
12、 Ki= 0.024, Kd=0;反馈系数K= 0.001.仿真输出波形见图5.图4模型阶跃扰动作用下的PID控制结构F ig . 4PID controlstructureof m odelunderstep d isturbance图5模型阶跃扰动作用下系统输出F ig. 5System outputof m odelunderstep disturbance2. 3. 2DMC控制仿真 526 1)系统在零扰动下的仿真输出. 模型的系统结构如图6所示 ,参数P= 20, M= 5.模型在零扰动下DMC控制的仿真结果见图8.2)系统在阶跃扰动下的仿真输出.模型的系统结构如图7所示 ,参数P
13、= 20, M= 5.模型在阶跃扰动下 DMC控制的仿真结果见图9. 仿真结果表明:DMC控制系统对大惯性和大延迟有很强的适应能力,具有很强的稳定性和鲁棒性,其控制品质明显优于常规PI D串级控制系统.图6模型在零扰动下DM C控制的系统结构F ig . 6DM C con trolstructureofm odel under zero disturbance图7模型在阶跃扰动下DM C控制的系统结构F ig . 7DM C con trolstructureofm odel understep d isturbance782第3期刘桂英,等:动态矩阵控制在电阻炉温度控制系统中的应用图8模型
14、在零扰动下DM C控制的仿真F ig . 8DM C con trol sim ulation of m odel underzero d isturbance图9模型在阶跃扰动下DM C控制的仿真F ig . 9DM C con trol sim ulation of m odel understep disturbance3结论电阻炉温度控制系统的对象具有大延迟、 时变性和大惯性等特征,虽然应用常规PI D 串级控制可以得到较好的抗扰性能,系统也具有相对比较好的鲁棒性,但还是很难达到期望的控制效果,本研究在电阻炉温度控制系统中应用了动态矩阵控制,取得了良好的控制效果.仿真结果表明: DMC
15、控制系统克服了单纯PI D鲁棒性差的缺点,把它应用于电阻炉温度控制系统中,对大惯性和大延迟有很强的适应能力,获得了良好鲁棒性,其控制品质明显优于常规PI D串级控制系统.参考文献 : 1席裕庚.预测控制M .北京:国防工业出版社, 1993: 10218. 2马文学,钟汉枢.动态矩阵控制研究进展及其应用现状 J .重庆工业高等专科学校学报, 2005, 20 (1) : 49252. 3周福恩,毕效辉.动态矩阵预测控制算法在过程控制中的应用研究 J.南通航运职业技术学院学报, 2005, 4 (1) : 43245. 4 Q IW eigui, ZHU Xueli. DMC ModifiedA lgorithm Based on Time Series Predicti on Principle J. Journal of HarbinInstitute ofTechnology, 2002, 9 (4) : 3272331. 5黄成静,刘红军,王东风.动态矩阵控制对锅炉燃料调节系统的仿真 J.自动化仪表, 2004, 25 (6) : 55258. 6齐维贵,朱学莉.供热系统动态矩阵控制的仿真研究 J .系统仿真学报, 2003, 15 (1) : 96299.【责任编辑 :郭伟 】882北华大学学报(自然科学版)第10卷