CN108646567B - 一种核电站稳压器压力被控对象动态矩阵控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核电站稳压器压力被控对象动态矩阵控制方法，该方法包括如下步骤：(1)建立核电站稳压器压力被控对象模型；(2)对核电站稳压器压力被控对象设置反馈通道，建立有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象模型；(3)进行简化处理，建立有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象简化模型；(4)对简化模型设计动态矩阵控制器，得到虚拟实时预测控制信号；(5)根据虚拟实时预测控制信号得到实际实时预测控制信号，实现核电站稳压器压力被控对象动态矩阵控制。与现有技术相比，本发明能够克服动态矩阵控制算法存在的缺陷、改进传统控制方法控制品质的不足，提供一种带有积分和迟延环节的被控对象动态矩阵控制的实现方法。

Description

一种核电站稳压器压力被控对象动态矩阵控制方法

技术领域

本发明涉及控制技术领域，尤其是涉及一种带有积分和迟延环节的被控对象动态矩阵控制方法。

背景技术

工业过程控制中存在许多具有大惯性、大迟延、难以获得精确数学模型特点的被控对象，针对带有积分和迟延环节的无自平衡能力的复杂非线性系统，传统的PID控制方法调节效果不够理想，存在响应速度慢、超调量大等缺点。

动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control,DMC)是一种基于被控对象阶跃响应的预测控制算法，对模型要求较低、算法计算量较小且鲁棒性较强。目前DMC算法可直接用于工业过程控制中有自平衡能力的被控对象，在对带有积分和迟延环节的被控对象建模时会产生截断误差，因此尚未用于无自平衡能力的被控对象。为解决这一问题，学者们进行了大量研究，可分为两类：一类主要针对被控对象进行研究，例如将不稳定模型进行分解得到稳定部分进行DMC控制器设计，但局限于理论上解决算法的应用问题；另一类主要针对算法自身进行研究，例如对DMC算法迭代矩阵进行改进解决预测模型的截断误差，但并未充分考虑工程实际信号的采集。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种核电站稳压器压力被控对象动态矩阵控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种核电站稳压器压力被控对象动态矩阵控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)建立核电站稳压器压力被控对象模型；

(2)对核电站稳压器压力被控对象设置反馈通道，建立有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象模型；

(3)对有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象模型进行简化处理，建立有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象简化模型；

(4)对有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象简化模型设计动态矩阵控制器，得到虚拟实时预测控制信号；

(5)根据虚拟实时预测控制信号得到核电站稳压器压力被控对象的实际实时预测控制信号，实现核电站稳压器压力被控对象动态矩阵控制。

步骤(1)核电站稳压器压力被控对象模型具体为：

其中，G₀(s)为核电站稳压器压力被控对象模型，k₀为放大系数，T₀为惯性时间常数，τ₀为迟延时间，s为拉普拉斯算子，e为自然常数。

步骤(2)中有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象模型具体为：

G₁(s)＝G₀(s)/(1+K×G₀(s))，

其中，G₁(s)为有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象模型，G₀(s)为核电站稳压器压力被控对象模型，K为反馈通道增益，s为拉普拉斯算子。

步骤(3)中有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象简化模型通过如下方式获得：将有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象模型分母中的纯迟延环节

近似线性化，得到有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象简化模型，纯迟延环节

近似线性化具体为：

τ_o为迟延时间，s为拉普拉斯算子，e为自然常数。

步骤(4)中虚拟实时预测控制信号通过如下方式获得：

u(k)＝u(k-1)+C^T(A^TQA+R)^-1A^TQ[ω_P(k)-y_P-P0(k)]，

其中，u(k)为有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象k时刻虚拟实时预测控制信号，k为当前控制时刻，u(k-1)为有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象k-1时刻虚拟实时预测控制信号，C^T为取首元素矩阵，A为动态矩阵，Q为误差权矩阵，R为控制权矩阵，ω_P(k)为k时刻期望值矩阵，y_P-P0(k)为k时刻控制器预测初值矩阵。

动态矩阵为：

其中，a_i为有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象简化模型单位阶跃响应参数值，i＝1,2,…,N，N为建模时域，P为预测时域，M为控制时域，并有M≤P≤N。

步骤(5)中核电站稳压器压力被控对象的实际实时预测控制信号通过如下方式获得：

u_C(k)＝u(k)-K×y(k)，

其中，u_C(k)为核电站稳压器压力被控对象k时刻实际实时预测控制信号，u(k)为核电站稳压器压力被控对象k时刻虚拟实时预测控制信号，y(k)为核电站稳压器压力被控对象k时刻的输出信号，K为反馈通道增益。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明将带有积分和迟延环节的被控对象转化为有自平衡能力的被控对象，进而在有自平衡能力的被控对象的基础上进行动态矩阵控制，提供了一种带有积分和迟延环节的被控对象动态矩阵控制的实现方法，进而将动态矩阵控制算法应用于带有积分和迟延环节的被控对象控制器设计，克服了动态矩阵控制算法存在的控制缺陷；

(2)本发明实现了带有积分和迟延环节的被控对象动态矩阵控制，与传统PID控制相比响应速度更快、超调量更小、鲁棒性更好，进而使得带有积分和迟延环节的控制系统具有更好的控制性能。

附图说明

图1为本发明带有积分和迟延环节的被控对象动态矩阵控制方法的流程框图；

图2为本发明实施例中实际实时预测控制信号仿真结果图；

图3为采用本发明方法与采用传统方法的仿真结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1所示，一种带有积分和迟延环节的被控对象动态矩阵控制方法，总体而言，该方法包括如下步骤：

(A)提供带有积分和迟延环节的被控对象；

(B)采用动态矩阵控制算法得到带有积分和迟延环节的被控对象的实际实时预测控制信号，实现带有积分和迟延环节的被控对象动态矩阵控制。

具体地，该方法包括如下步骤：

(1)提供带有积分和迟延环节的被控对象，具体地，带有积分和迟延环节的被控对象是本发明所欲建模的工业过程控制中某一带有积分和迟延环节的被控对象，例如核电站稳压器压力被控对象；

(2)对带有积分和迟延环节的被控对象设置反馈通道，建立有自平衡能力的被控对象；

(3)对有自平衡能力的被控对象进行简化处理，建立有自平衡能力的被控对象简化模型；

(4)对有自平衡能力的被控对象简化模型设计动态矩阵控制器，得到虚拟实时预测控制信号；

(5)根据虚拟实时预测控制信号得到带有积分和迟延环节的被控对象的实际实时预测控制信号，实现带有积分和迟延环节的被控对象动态矩阵控制。

步骤(1)带有积分和迟延环节的被控对象具体为：

其中，G₀(s)为带有积分和迟延环节的被控对象，k₀为放大系数，T₀为惯性时间常数，τ₀为迟延时间，s为拉普拉斯算子，e为自然常数。具体地，本实施例中核电站稳压器压力被控对象模型为G₀(s)＝-(1.628×10^-2)/s。

步骤(2)中有自平衡能力的被控对象具体为：

G₁(s)＝G₀(s)/(1+K×G₀(s))，

其中，G₁(s)为有自平衡能力的被控对象，G₀(s)为带有积分和迟延环节的被控对象，K为反馈通道增益，当反馈通道增益K小于一定范围时有自平衡能力的被控对象G₁(s)是稳定的，s为拉普拉斯算子，具体地，本实施例中G₁(s)为有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象模型。

步骤(3)中有自平衡能力的被控对象简化模型通过如下方式获得：将有自平衡能力的被控对象分母中的纯迟延环节

近似线性化，得到有自平衡能力的被控对象简化模型G₂(s)，纯迟延环节

近似线性化具体为：

τ_o为迟延时间，s为拉普拉斯算子，e为自然常数。具体地，本实施例中有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象简化模型为G₂(s)＝-(1.628×10^-2)/(s+1.628×10^-2)。

步骤(4)中虚拟实时预测控制信号通过如下方式获得：

u(k)＝u(k-1)+C^T(A^TQA+R)^-1A^TQ[ω_P(k)-y_P-P0(k)]，

其中，u(k)为有自平衡能力的被控对象k时刻虚拟实时预测控制信号，k为当前控制时刻，u(k-1)为有自平衡能力的被控对象k-1时刻虚拟实时预测控制信号，C^T为取首元素矩阵，A为动态矩阵，Q为误差权矩阵，R为控制权矩阵，ω_P(k)为k时刻期望值矩阵，y_P-P0(k)为k时刻控制器预测初值矩阵，具体地，本实施例中u(k)为作用于有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象的动态矩阵控制器直接输出的虚拟实时预测控制信号。

其中，动态矩阵为：

其中，a_i为有自平衡能力的被控对象简化模型单位阶跃响应参数值，i＝1,2,…,N，N为建模时域，P为预测时域，M为控制时域，并有M≤P≤N。

步骤(5)中带有积分和迟延环节的被控对象的实际实时预测控制信号通过如下方式获得：

u_C(k)＝u(k)-K×y(k)，

其中，u_C(k)为带有积分和迟延环节的被控对象k时刻实际实时预测控制信号，u(k)为有自平衡能力的被控对象k时刻虚拟实时预测控制信号，y(k)为带有积分和迟延环节的被控对象k时刻的输出信号，K为反馈通道增益，本实施例中u_C(k)为作用于核电站稳压器压力被控对象的本发明方法输出的实际实时预测控制信号，y(k)为核电站稳压器压力被控对象k时刻的压力输出信号。

对核电站稳压器压力被控对象进行本发明方法动态矩阵控制仿真，仿真实验时控制器参数设置如下：采样周期为0.1s，预测时域为70，控制时域为6，误差权矩阵参数为1，控制权矩阵参数为0，校正向量参数为1。实际实时预测控制信号仿真结果如图2所示。控制系统响应输出仿真结果如图3所示。由仿真曲线可知：动态矩阵控制的响应速度快，曲线无超调，调整时间为5s(误差为±2％)，具有响应快、超调小、静态稳定性好的特点。

对核电站稳压器压力被控对象进行PID控制仿真，仿真实验时控制器参数设置如下：比例系数为20，积分系数为0.8，微分系数为0。控制系统响应输出仿真结果如图3所示。由仿真曲线可知：PID控制的上升时间为7s，峰值时间为15s，超调量为12％，调整时间为56s(误差为±2％)，相较于本发明动态矩阵控制方法调节品质较差。因此，本发明一种带有积分和迟延环节的被控对象动态矩阵控制方法在带有积分和迟延环节的被控对象控制方面效果更好。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (4)

1.一种核电站稳压器压力被控对象动态矩阵控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)建立核电站稳压器压力被控对象模型；

(2)对核电站稳压器压力被控对象设置反馈通道，建立有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象模型；

(3)对有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象模型进行简化处理，建立有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象简化模型；

(4)对有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象简化模型设计动态矩阵控制器，得到虚拟实时预测控制信号；

(5)根据虚拟实时预测控制信号得到核电站稳压器压力被控对象的实际实时预测控制信号，实现核电站稳压器压力被控对象动态矩阵控制；

步骤(1)核电站稳压器压力被控对象模型具体为：

其中，G₀(s)为核电站稳压器压力被控对象模型，k₀为放大系数，T₀为惯性时间常数，τ₀为迟延时间，s为拉普拉斯算子，e为自然常数；

步骤(2)中有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象模型具体为：

G₁(s)＝G₀(s)/(1+K×G₀(s))，

其中，G₁(s)为有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象模型，G₀(s)为核电站稳压器压力被控对象模型，K为反馈通道增益，s为拉普拉斯算子；

步骤(3)中有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象简化模型通过如下方式获得：将有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象模型分母中的纯迟延环节

近似线性化，得到有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象简化模型，纯迟延环节

近似线性化具体为：

τ_o为迟延时间，s为拉普拉斯算子，e为自然常数。

2.根据权利要求1所述的一种核电站稳压器压力被控对象动态矩阵控制方法，其特征在于，步骤(4)中虚拟实时预测控制信号通过如下方式获得：

u(k)＝u(k-1)+C^T(A^TQA+R)^-1A^TQ[ω_P(k)-y_P-P0(k)]，

其中，u(k)为有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象k时刻虚拟实时预测控制信号，k为当前控制时刻，u(k-1)为有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象k-1时刻虚拟实时预测控制信号，C^T为取首元素矩阵，A为动态矩阵，Q为误差权矩阵，R为控制权矩阵，ω_P(k)为k时刻期望值矩阵，y_P-P0(k)为k时刻控制器预测初值矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种核电站稳压器压力被控对象动态矩阵控制方法，其特征在于，动态矩阵为：

其中，a_i为有自平衡能力的核电站稳压器压力被控对象简化模型单位阶跃响应参数值，i＝1,2,…,N，N为建模时域，P为预测时域，M为控制时域，并有M≤P≤N。

4.根据权利要求1所述的一种核电站稳压器压力被控对象动态矩阵控制方法，其特征在于，步骤(5)中核电站稳压器压力被控对象的实际实时预测控制信号通过如下方式获得：

u_C(k)＝u(k)-K×y(k)，

其中，u_C(k)为核电站稳压器压力被控对象k时刻实际实时预测控制信号，u(k)为核电站稳压器压力被控对象k时刻虚拟实时预测控制信号，y(k)为核电站稳压器压力被控对象k时刻的输出信号，K为反馈通道增益。

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