一種用於複雜數字控制系統的預測控制方法

2023-05-09 00:16:26

專利名稱：一種用於複雜數字控制系統的預測控制方法
技術領域：
本發明屬於數字控制技術領域，特別涉及一種適用於複雜數字控制系統的預測控制方法。
背景技術：
和傳統模擬控制相比，現代數字控制具有抗幹擾能力強、噪聲容限大、易於實現複雜算法、可重複編程等優點。但是，各種實際數字控制系統中的控制信號產生、傳輸、執行過程均不可避免地存在控制信號的延時問題，主要包括:A/D採樣轉換延時、控制系統計算延時、控制信號傳輸延時和被控系統的執行延時等。由於各種延時的存在，數字控制系統不能及時對被控系統進行控制，這將影響被控系統的動態特性，特別是影響了控制環路相位裕量，降低了系統帶寬，甚至發生系統振蕩及失去穩定性。為此，人們提出了多種具有補償系統數字延時效果的數字控制策略或參數預測控制方法，如無差拍控制、重複控制、PID控制等。從各種預測控制策略的本質來看，可以大致分成兩類:第一類是基於被控系統的數學模型，通過模型計算預測下一個或幾個周期的系統被控量變化趨勢或準確數值，從而提前輸出相應的系統運行狀態切換的控制信號；第二類是通過各種插值法或專家經驗知識，使用曲線擬合或線性擬合的方式來預測下一個或幾個周期的系統被控量變化趨勢或準確數值。對於線性定常控制系統來說，第一類方法可獲得非常高的預測精度。但對於存在動態系統參數的應用場合，由於無法直接預測下一個或幾個周期的運行狀況，目前常採用「凍結係數法」來獲取數字控制系統的近似傳遞函數，然後通過在線迭代計算的方法，在一個個離散的時間區間內預測被控量的運行狀況。原則上，凍結係數的時間區間長度越短，傳遞函數的精確程度越高，被控量的預測精度越高；在某一凍結係數的時間區間內的迭代計算次數越多，被控量的預測精度也越高。為了達到對被控量的高精度控制，其所需的迭代計算時間較長，特別是在某些存在多個動態變化且相互關聯的系統參數的複雜數字控制系統，在線迭代計算時間與系統其它固有延時時間的總和(即系統總延時時間長度)可能會超過系統允許的最長凍結係數時間區間長度，或超過當前系統運行狀態的總運行時間，從而導致被控量預測精度的下降，尤其是在系統運行狀態切換的前後瞬間，現有方法無法精確確定系統運行狀態切換的時間點，這將不可避免地帶來一定的超調量。因此，對於這類複雜數字控制系統，採用第一類方法很難實現兼備快速計算和精確計算的性能優勢。而第二類方法無需實時在線迭代計算，可獲得非常快的計算速度，但是其預測精度不高，無法實現對被控量的高精度控制。

發明內容
本發明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種兼備快速計算和精確計算性能優勢的用於複雜數字控制系統的預測控制方法。為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
本發明提出的一種用於複雜數字控制系統的預測控制方法包括:A.構建所述複雜數字控制系統的所有運行狀態的狀態切換判定數組，其中每一個運行狀態的狀態切換判定數組通過以下步驟(I) - (7)構建:(I)將控制量和被控制量的連續數值變化範圍分別均分為N-1等份，得到相應的控制量數據數組X=[Xl X2...ΧΝ]和被控制量數據數組Y=[yi y2...yN]，其中N>1;(2)將步驟(I)中得到的X1和yi作為零時刻的控制量和被控制量初始值輸入至所述複雜數字控制系統的動態數學模型中，通過迭代計算得到被控制量等於其理想閾值所需的時間長度T。；(3 )將步驟(2 )中得到的T。減去系統總延時時間長度Td，得到與X1和y i相對應的一個判定閾值Z11所在的時刻Te-Td ;將步驟(2)中得到的T。減去系統總延時時間長度Td和系統採樣延時時間長度Ts，得到與X1和yi相對應的另一個判定閾值S11所在的時刻Te-Td-Ts ；(4)將步驟(I)中得到的X1和yi作為零時刻的控制量和被控制量初始值再次輸入至所述複雜數字控制系統的動態數學模型中，通過迭代計算得到Te-Td時刻的判定閾值Z11和Te-Td-Ts時刻的判定閾值S11 ；(5)將步驟(I)中得到的除Y1外的Y中其餘元素依次替換Y1，重複上述步驟
(2)- (4),得到兩個判定閾值數組 Z1=Ez11 Z12...Z1J 和 S1=Es11 S12...s1N]；(6)將步驟(I)中得到的除X1外X中其餘元素依次替換X1，重複上述步驟(2)_(5)，得到兩個 N 維判定閾值數組 Z=[zn Z12...z1N; Z21 Z22...z2N;...; zN1 zN2...Znn]和
S- [sn S12...Sin , S21 S22...S2n.....SN1 Sn2...SNN];(7)將步驟(I)中得到的控制量數據數組X和被控制量數據數組Y，步驟(6)中得到的判定閾值數組Z和S，組合成為該運行狀態的狀態切換判定數組；B.所述複雜數字控制系統在當前運行狀態的運行，及由當前運行狀態向目標運行狀態的切換:(I)確定控制量和被控制量的實際初始值:當所述複雜數字控制系統輸出由上一個運行狀態向當前運行狀態切換的控制信號後，首先實時採樣得到Td-2TjP Td-Ts延時之間的控制量運行數據B1及被控制量運行數據I^Td-Ts和Td延時之間的控制量運行數據a2及被控制量運行數據b2;然後利用線性插值外推法預測Td延時處控制量的實際初始值a及被控制量的實際初始值b，計算公式為:a=a2+(Ya1)TcZTs, b=b2+(Vb1) TcAs，其中Ttl=Td-PTs,P為Td/Ts取整數而得，Ts為系統採樣延時時間長度，Td為系統總延時時間長度；(2)確定控制量和被控制量的初始搜尋位置:將上一個運行狀態的控制量實際初始值、被控制量實際初始值、和系統在上一個運行狀態中的運行時間，輸入至複雜數字控制系統的穩態或理想數學模型，計算得到Td延時處的控制量理想值c和被控制量理想值d ;若c為當前運行狀態的控制量數據數組X中的元素，則取c為控制量的初始搜尋位置，若c介於當前運行狀態的X中的兩個元素之間，則任取一個相鄰的元素作為控制量的初始搜尋位置；若(1為當前運行狀態的被控制量數據數組Y中的元素，則取d為被控制量的初始搜尋位置，若d介於當前運行狀態的Y中的兩個元素之間，則任取其中一個相鄰的元素作為被控制量的初始搜尋位置；(3)確定被控制量的實際判定閾值:採用爬坡搜尋法，在步驟A中構建的當前運行狀態的狀態切換判定數組中進行搜尋；以上述步驟(2)中確定的控制量和被控制量的初始搜尋位置開始，在控制量數據數組X和被控制量數據數組Y中往上或往下搜尋上述步驟(I)中確定的控制量實際初始值a和被控制量實際初始值b ;若a、b均為X和Y中的元素，即a=Xi> b=yj;則被控制量的兩個實際判定閾值zz、ss分別等於與Xi' Yj相對應的Z、S中的元素，即zz=zu、SS=Sij,其中，I ≤ i〈N, I ≤j〈N ;若a介於X中的兩個元素x。xi+1之間，貝U利用線性插值內推法預測被控制量的兩個實際判定閾值zz、ss，其計算公式為:ZZ=Zu+[Z(i+1)
J-Zij] (a-Xi) / (Xw-Xi)，SS=Sij+[S(^1)j-Sij] (a-xj/ (Xw-Xi),其中，1 ≤ i〈N, I ≤ j〈N ；若 b
介於Y中的兩個元素yp yJ+1之間，則利用線性插值內推法預測被控制量的兩個實際判定閾值 zz、SS,其計算公式為 azsZij+HzKj+D-Zij] (b-yj)/(yj+1-yj)，SS=Sij+[Si(^1)-Sij] (b-y」)/(yJ+1_yj)，其中，1 ≤ i〈N，l≤ j〈N;(4)確定所述複雜數字控制系統輸出由當前運行狀態向目標運行狀態切換的控制信號的準確時刻:將實時採樣獲得的所有被控制量運行數據bb依次與上述步驟(3)中確定的被控制量實際判定閾值ZZ、SS進行比較，直至當第!■個採樣點的被控制量運行數據bb (r)大於等於zz同時小於ss;然後採用線性插值內推法預測bb從bb(r)開始，直至運行到bb等於ss的時間長度Tg，其計算公式為:Tg=[SS-bb(r)]Ts/(ss-zz);然後，所述複雜數字控制系統將在Tg延時後，立即輸出向目標運行狀態切換的控制信號。所述複雜數字控制系統的特徵包括:具有多個動態變化的控制量，如隨時間變化的控制量、與其它控制量之間存在一定數學函數關係的控制量、與被控制量之間存在一定數學函數關係的控制量、兼有以上三種變化形式中的任意兩種或三種形式的控制量；或者/和，具有一個或多個被控制量，只能通過迭代計算方法預測被控制量在同一個系統運行狀態內的運行數據；或者/和，具有多個系統運行狀態，且任意一個系統運行狀態內的被控制量必須滿足一定的波動閾值範圍或實時跟隨給定曲線。本發明的預測控制方法適用於對所述複雜數字控制系統的控制，尤其適用於具有以下特徵的複雜數字控制系統:任意一個系統運行狀態內的迭代計算時間與系統其它固有延時時間的總和超過系統允許的最長凍結係數時間區間長度，或超過當前系統運行狀態的總運行時間。具體而言，所述複雜數字控制系統可以是超導磁體受控恆壓放電控制系統，等等。本發明的預測控制方法將待在線迭代計算的數學模型預先進行離散化處理，將離散化判定數組代替現有的第一類預測方法中的數學模型，不僅可保持直接採用數學模型進行數字預測控制的精確性，而且由於離散化判定數組的構建是預先完成，實際控制過程中不再有複雜的在線迭代計算，可省去大量直接採用數學模型進行數據處理和計算的時間，使得本發明方法兼具預測精度和快速預測的優點。同時，通過線性插值外推法和內推法，解決了實際採樣電路或模塊的模數轉換延時時間帶來的採樣誤差問題，進一步提高了預測精度；通過系統穩態或理想數學模型，計算確定控制量及被控制量的初始搜尋位置，有效地提高了爬坡搜尋法的搜尋速度，進一步減少了預測過程所需時間。若要實現與本發明方法相同的預測精度，現有的基於系統數學模型直接進行在線迭代計算的第一類預測方法所需消耗的時間很長，迭代計算時間與系統其它固有延時時間的總和可能會超過系統允許的最長凍結係數時間區間長度，或超過當前系統運行狀態的總運行時間，這將最終限制其預測精度。現有的基於線性插值法的第二類預測方法是預測一個或幾個系統運行周期的被控量數據，在呈現非線性動態數據變化的複雜控制系統中的預測精度很低。本發明的預測控制方法採用離散化判定數組來代替數學模型進行預測控制，僅僅在一個系統採樣周期內採用線性插值法進行短時間預測，其預測精度遠高於直接採用插值法預測整個系統運行狀態過程。與現有技術相比，本發明 的有益效果是:既保持了基於數學模型在線迭代計算的預測方法的精確性，又兼有了基於插值預測法的快速計算特性，適用於存在多個動態變化系統參數且在線迭代計算時間較長的複雜數字控制系統。


圖1是本發明預測控制方法的控制流程框圖。圖2是實施例中超導磁體受控恆壓放電控制系統的系統框圖。圖3是本發明預測控制方法與採用基於數學模型在線迭代計算的第一類預測控制方法的預測控制效果對比圖。圖4是本發明預測控制方法與基於線性插值法的第二類預測控制方法的預測控制效果對比圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明的優選實施例作進一步的描述。如圖1、圖2、圖3、圖4所示。超導磁儲能系統通過超導磁體與外部直流或交流系統的動態電能交換，解決一系列包括分布式發電的輸出功率波動、電力調峰、頻率偏移、高次諧波抑制、電壓跌落、電壓驟升等電力系統問題。由於外部直流或交流系統的動態電能交換需求是動態變化的，在超導磁體放電過程中可等效為一個額定電壓不變、但自身電阻動態變化的直流負載電阻，下面以超導磁體對直流負載電阻受控恆壓放電控制應用為例。 超導磁體受控恆壓放電控制系統(系統框圖如圖2所示)由主功率電路部分和數字控制器部分組成。其中，主功率電路部分包括直流充電電源UA、超導磁體L、超導開關S2、兩個功率開關管S1和S3、兩個功率二極體D1和D2、能量緩衝電容C、直流負載電阻R(t)、負載供電電源仏。(0、供電線路電阻1^。；數字控制器部分包括電流/電壓測量電路、輸入信號調理電路、數字控制晶片、輸出信號調理電路、功率開關驅動電路。所述超導磁體受控恆壓放電控制系統包括兩個運行狀態:放電運行狀態和儲能運行狀態；三個控制量:超導磁體運行電流IJt)、直流負載電阻R(t)和負載供電電源Ud。⑴；一個被控制量:直流負載電阻端電壓UK(t);其中，〗L(t)由霍爾傳感器H1直接測量而得，R(t)由千分之一高精度電阻札和R2分壓後測量獲得的UK(t)除以霍爾傳感器H2直接測量獲得的直流負載電流Ik(t)而得，Udc(t)由千分之一高精度電阻R3和R4分壓後測量而得。所述超導磁體受控恆壓放電控制系統的基本電氣參數如下:三個控制量IJt)、R(t)和Udc(t)的連續數值變化範圍分別為:50A≤Il(t) ≤ ΙΟΟΑ,Ο.5Ω≤R(t)≤1Ω，100V ≤Udc (t)≤ 150V ;被控制量UK(t)的連續數值變化範圍為99V ≤ Ue(t) ≤IOlV ;超導磁體電感量L=2H ;供電線路電阻Rdc=I Ω。與系統數字延時有關的性能參數如下:霍爾傳感器LEM LA125-P的響應時間I μ S、輸入信號調理核心晶片LMV932的電壓轉換速率0.4V/ μ S、數字控制晶片TMS320LF2407內置採樣模塊的模-數轉換時間500ns、TMS320LF2407的單字長定點指令平均執行速度30MIPS、TMS320LF2407的每條指令周期33ns、輸出信號調理核心晶片SN74LVC的高低電平切換時間4ns、功率開關管驅動晶片F0D3182的驅動信號響應延時210ns、功率開關管MOSFET IPB036N12N3 G的開關延時50ns。所述超導磁體受控恆壓放電控制系統的系統總延時時間長度Td包括系統採樣延時Ts、系統計算延時Tj和系統執行延時Tz。其中，從對控制量和被控制量開始採樣瞬間至最終輸入至數字控制晶片TMS320LF2407的數字延時為1.5 μ S，即系統採樣時間延時Ts=L 5 μ S。從TMS320LF2407輸出運行狀態切換控制信號瞬間至MOSFET實現導通或關斷的數字延時為0.264 μ S，即兩個運行狀態之間的切換過程中的系統執行延時Tz為0.264 μ S。採用本發明提出的預測控制方法，TMS320LF2407在線實時搜尋到狀態判定閾值，所需的系統計算延時！>30 μ S，那麼系統總延時時間長度Td=31.764 μ S。所述超導磁體受控恆壓放電控制系統的工作流程包括:閉合功率開關管S1和S3,直流充電電源Ueh給超導磁體L充電至其額定值(如100Α)，然後斷開S1和S3,閉合超導開關S2，使超導磁體和超導開關形成幾乎無能量損耗的電流環。某時刻，負載供電電源電壓UdJt)或者直流負載電阻R(t)的電阻值出現變化，直流負載電阻端電壓Uk(t)將會出現波動。當隊(0低於下限閾值99V時，斷開S2，超導磁體通過功率二極體01和％給1 (0放電，Ue(t)將逐漸上升；當隊(0重新恢復到上限閾值IOlV之後，重新閉合S3，超導磁體通SD1和S3形成儲能閉合迴路，此時負載供電電源Ud。⑴將對R(t)進行供電，UK(t)將逐漸下降。不斷循環運行以上放電運行狀態和儲能運行狀態，即可使Uk (t)維持在99V-101V之間，從而實現恆壓放電控制，並給R (t)提供不間斷電源供應。所述超導磁體受控恆壓放電控制系統的預測控制方法包括:A.構建超導磁體受控恆壓放電控制系統的放電運行狀態和儲能運行狀態的狀態切換判定數組，其中放電運行狀態的狀態切換判定數組通過以下步驟(I) - (7)構建:(I)將控制量的連續數值變化範圍分別均分為999等份，得到相應的控制量數據數組 X=Lx1 X2...X1000]，其中 Xi=[xiiL xiE Xiud], I 彡 i 彡 1000, xiIL 為第 i 個 Il (t)的離散化數值 lOO-(1-l) X0.0501A, xiE 為第 i 個 R(t)的離散化數值 l-(i_l) X0.0005 Ω，xiUd 為第i個UtJt)的離散化數值150-(1-1) X0.0501V。將被控制量的連續數值變化範圍均分為999等份，得到相應的控制量數據數組Y=[yi y2...y.]，其中，yi為第ifUK(t)的離散化數值 99+(1-1) X0.002V。(2)將步驟(I)中得到的Χι=[100Α 1Ω 150V]和y1=99V作為零時刻的控制量和被控制量初始值輸入至所述超導磁體受控恆壓放電控制系統的動態數學模型中，通過迭代計算得到被控制量Ur (t)等於上限閾值IOlV所需的時間長度Te=39.421 μ S。(3)將步驟(2)中得到的Τ。減去系統總延時時間長度Td=31.764 μ S，得到與X1和Y1相對應的一個判定閾值Z11所在的時刻Te-Td= .657 μ S ;將步驟(2)中得到的Τ。減去系統總延時時間長度Td=31.764 μ s和系統採樣延時時間長度Ts=L 5 μ s，得到與X1和yi相對應的另一個判定閾值S11所在的時刻Tc-Td-Ts=6.157 μ S。(4)將步驟(I)中得到的Χι=[100Α 1Ω 150V]和y1=99V作為零時刻的控制量和被控制量初始值再次輸入至所述超導磁體受控恆壓放電控制系統的動態數學模型中，通過迭代計算得到Te_Td=7.657 μ s時刻的判定閾值zn=99.451V和Te-Td_Ts=6.157 μ s時刻的判定閾值 sn=99.331V。 (5)將步驟(I)中得到的除Y1外的Y中其餘元素依次替換Y1，重複上述步驟(2)- (4)，得到兩個判定閾值數組Z1=Lz11
Ζ12...zI(IOOO)]和 S「[Sn S12...S1Q000)]。(6)將步驟(I)中得到的除X1外X中其餘元素依次替換X1，重複上述步驟(2)_(5)，得到兩個N維判定閾值數組Z=[Zll
Ζ12...zI(IOOO) , Z21 Z22...Z2(1000).....rL (1000) I z (1000)2...Z (1000) (1000)]和 S_ [S11 S12...S1(JOOO) ' S21 S22...S2(1000).....S (1000) I S (1000) 2...S(1000)
(1000)]。(7)將步驟(I)中得到的控制量數據數組X和被控制量數據數組Y，步驟(6)中得到的判定閾值數組Z和S，組合成為放電運行狀態的狀態切換判定數組。儲能運行狀態的狀態切換判定數組可採用與以上步驟(I) - (7)類似的方法和步驟獲得，其區別之處在於:步驟(2)中的上限閾值IOlV需替換為下限閾值99V，並依此逐步計算獲得儲能運行狀態的判定閾值，最終獲得儲能運行狀態的狀態切換判定數組。B.所述超導磁體受控恆壓放電控制系統在放電運行狀態的運行，及由放電運行狀態向儲能運行狀態的切換:( I)確定控制量和被控制量的實際初始值:當所述超導磁體受控恆壓放電控制系統輸出由上一個儲能運行狀態向當前放電運行狀態切換的控制信號後，首先實時採樣得到Td-2TS=28.764 μ s 和 Td_Ts=30.264 μ s 延時之間的控制量運行數據 B1= [99.998A I Ω 150V]及被控制量運行數據b1=99.088V, Td-Ts=30.264 μ s和Td=31.764 μ s延時之間的控制量運行數據a2=[99.996A 0.994 Ω 148.262V]及被控制量運行數據b2=99.026V ;然後利用線性插值外推法預測31.764 μ s延時處控制量的實際初始值a= [99.991A 0.993 Ω 147.95V]及被控制量的實際初始值b=9 9.015V。(2)確定控制量和被控制量的初始搜尋位置:將上一個儲能運行狀態的控制量實際初始值a=[100A 1Ω 150V]、被控制量實際初始值b=109.994V、和系統在上一個儲能運行狀態中的運行時間39.262 μ S，輸入至超導磁體受控恆壓放電控制系統的穩態數學模型，計算得到31.764 μ s延時處的控制量理想值C= [99.992Α 0.991 Ω 147.981V]和被控制量理想值d=99.004V。其中，c中的超導磁體運行電流初始值99.992A處於第I個Il(t)離散化數值元素X111=IOOA和第2個込(t)離散化數值元素x2II=99.949A之間，則取X111=IOOA為超導磁體運行電流初始搜尋位置；c中的直流負載電阻初始值0.991 Ω恰好為第18個R(t)離散化數值元素~18&，則取x(18m=0.991 Ω為直流負載電阻初始搜尋位置；c中的負載供電電源電壓初始值147.98V處於第41個Ude⑴離散化數值元素x_d=147.996V和第42個Udc (t)離散化數值元素x(42)ud=147.946V之間，則取x(41)ud=147.996V為負載供電電源電壓初始搜尋位置；d中的直流負載電阻端電壓初始值99.004V恰好為第3個隊(0離散化數值元素y3，則取y3=99.004V為直流負載電阻端電壓初始搜尋位置。(3)確定被控制量的實際判定閾值:採用爬坡搜尋法，在步驟A中構建的放電運行狀態的狀態切換判定數組中進行搜尋；以上述步驟(2)中確定的控制量和被控制量的初始搜尋位置開始，在控制量數據數組X和被控制量數據數組Y中往上或往下搜尋上述步驟Cl)中確定的控制量實際初始值a=[99.991A 0.993 Ω 147.495V]和被控制量的實際初始值b=99.016V。其中，a中的超導磁體運行電流初始值99.991A處於第I個Il⑴離散化數值元素X11L=IOOA和第2個Il⑴離散化數值元素x2Il=99.949A之間，a中的直流負載電阻初始值0.993 Ω恰好為第14個R(t)離散化數值元素x(14m，a中的負載供電電源電壓初始值147.495V恰好為第50個Ude (t)離散化數值元素，b中的直流負載端電壓初始值99.016V恰好為第8個Uk (t)離散化數值元素y8，與a、b相對應的Z中的元素為99.534V和99.491V,與a、b相對應的S中的元素為99.501V和99.462V，然後再利用線性插值內推法預測被控制量的兩個實際判定閾值zz=99.497V, ss=99.467V。(4)確定所述超導磁體受控恆壓放電控制系統輸出由當前放電運行狀態向目標儲能運行狀態切換的控制信號的準確時刻:將實時採樣獲得的所有被控制量運行數據Ur(t)依次與上述步驟(3)中確定的被控制量實際判定閾值zz、SS進行比較，直至當第5個採樣點的被控制量運行數據99.478V處於zz=99.497V和ss=99.467V之間；然後採用線性插值內推法預測隊⑴從99.478V開始，直至運行到UK(t)等於99.467V的時間長度Tg=0.553 μ s ；然後，所述超導磁體受控恆壓放電控制系統將在0.553 μ s延時後，立即輸出向目標儲能運行狀態切換的控制信號。儲能運行狀態的運行，及由儲能運行狀態向放電運行狀態的切換可採用與以上步驟(I)- (4)類似的方法和步驟獲得，其區別之處在於:步驟(I)- (4)中的「放電運行狀態」與「儲能運行狀態」互換位置，並依此逐步計算獲得儲能運行狀態的實際判定閾值，獲得所述超導磁體受控恆壓放電控制系統輸出由當前儲能運行狀態向目標放電運行狀態切換的控制信號的準確時刻，最後準確地輸出向目標放電運行狀態切換的控制信號。圖3給出了本發明預測控制方法與採用基於數學模型在線迭代計算的第一類預測控制方法的預測控制效果對比圖。第一類預測控制方法需要基於所述超導磁體受控恆壓放電控制系統的動態數學模型進行在線重複迭代計算，所需系統計算延時L達到100 μ S，系統總延時Td達到101.764 μ S，遠大於圖3中的UK(t)的上限閾值IOlV和下限閾值99V之間的時間間距40 μ S，這將不可避免地產生一定的超調量。而本發明提出的預測控制方法則無需在線迭代計算，並利用所述超導磁體受控恆壓放電控制系統的穩態數學模型確定了控制量及被控制量的初始爬坡搜尋位置，有效地提高了爬坡搜尋法的搜尋速度，進一步減少了預測過程所需時間，TMS320LF2407可以快速地在線搜尋到相應的狀態判定閾值，然後與實時採樣獲得的％(0相比較即可獲得相應的運行狀態切換準確時刻，系統總延時Td僅為31.764 μ s ;因此，本發明提出的預測控制方法可以精確地將Uk (t)控制在99V-101V之間，有效避免了由於在線迭代計算需要較長的時間延時帶來的實時數字控制偏差，提高了實際控制精度。圖4給出了本發明預測控制方法與基於線性插值法的第二類預測控制方法的預測控制效果對比圖。隨著受控恆壓放電過程的進行，超導磁體的運行電流逐漸衰減，直流負載電阻端電壓的上升曲線也將越來越呈現非線性特性。IJt) =51A時，直接採用線性插值法進行線性預測整個放電運行狀態中的直流負載電阻端電壓上升至上限閾值IOlV的時間是不準確的，這將導致實時控制精度的下降。而本發明實時跟蹤直流負載電阻端電壓運行數據，並與判定閾值進行比較以獲得狀態切換的準確時刻，有效避免了線性插值法帶來的非線性參數預測偏差。同時，本發明在一個系統採樣周期內採用線性插值內推法和外推法進行了線性預測，進一步提高了實際控制精度。
權利要求
1.種用於複雜數字控制系統的預測控制方法，其特徵在於:所述用於複雜數字控制系統的預測控制方法包括: A.構建所述複雜數字控制系統的所有運行狀態的狀態切換判定數組，其中每一個運行狀態的狀態切換判定數組通過以下步驟(I) - (7)構建: (1)將控制量和被控制量的連續數值變化範圍分別均分為N-1等份，得到相應的控制量數據數組X=[Xl x2...χΝ]和被控制量數據數組Y=Ly1 y2...yN]，其中N>1; (2)將步驟(I)中得到的X1和yi作為零時刻的控制量和被控制量初始值輸入至所述複雜數字控制系統的動態數學模型中，通過迭代計算得到被控制量等於其理想閾值所需的時間長度T。； (3)將步驟(2)中得到的T。減去系統總延時時間長度Td，得到與X1和yi相對應的一個判定閾值Z11所在的時刻Te-Td;將步驟(2)中得到的T。減去系統總延時時間長度Td和系統採樣延時時間長度Ts，得到與X1和yi相對應的另一個判定閾值S11所在的時刻Te-Td-Ts ； (4)將步驟(I)中得到的X1和yi作為零時刻的控制量和被控制量初始值再次輸入至所述複雜數字控制系統的動態數學模型中，通過迭代計算得到Te-Td時刻的判定閾值Z11和Tc-Td-Ts時刻的判定閾值S11 ； (5)將步驟(I)中得到的除yi外的Y中其餘元素依次替換yi，重複上述步驟(2)-(4)，得到兩個判定閾值數組 Z1=Iiz11 Z12...ZinI^PS1=IIs11 S12...S1J ； (6)將步驟(I)中得到的除X1外X中其餘元素依次替換X1,重複上述步驟(2)- (5)，得到兩個 N 維判定閾值數組 Z=[zn Z12...z1N; Z21 Z22...z2N;...; zN1 zN2...Znn]和S- [sn S12...Sin , S21 S22...S2n.....SN1 Sn2...SNN]; (7)將步驟(I)中得到的控制量數據數組X和被控制量數據數組Y，步驟(6)中得到的判定閾值數組Z和S，組合成為該運行狀態的狀態切換判定數組； B.所述複雜數字控制系統在當前運行狀態的運行，及由當前運行狀態向目標運行狀態的切換: (1)確定控制量和被控制量的實際初始值:當所述複雜數字控制系統輸出由上一個運行狀態向當前運行狀態切換的控制信號後，首先實時採樣得到Td-2TjP Td-Ts延時之間的控制量運行數據及被控制量運行數據I^Td-Ts和Td延時之間的控制量運行數據a2及被控制量運行數據b2 ;然後利用線性插值外推法預測Td延時處控制量的實際初始值a及被控制量的實際初始值 b，計算公式為:a=a2+(Ya1)TcZTs, b=b2+(Vb1) TcAs，其中 Ttl=Td-PTs, p 為Td/Ts取整數而得，Ts為系統採樣延時時間長度，Td為系統總延時時間長度； (2)確定控制量和被控制量的初始搜尋位置:將上一個運行狀態的控制量實際初始值、被控制量實際初始值、和系統在上一個運行狀態中的運行時間，輸入至複雜數字控制系統的穩態或理想數學模型，計算得到Td延時處的控制量理想值c和被控制量理想值d ;若c為當前運行狀態的控制量數據數組X中的元素，則取c為控制量的初始搜尋位置，若c介於當前運行狀態的X中的兩個元素之間，則任取一個相鄰的元素作為控制量的初始搜尋位置；若d為當前運行狀態的被控制量數據數組Y中的元素，則取d為被控制量的初始搜尋位置，若d介於當前運行狀態的Y中的兩個元素之間，則任取其中一個相鄰的元素作為被控制量的初始搜尋位置； (3)確定被控制量的實際判定閾值:採用爬坡搜尋法，在步驟A中構建的當前運行狀態的狀態切換判定數組中進行搜尋；以上述步驟(2)中確定的控制量和被控制量的初始搜尋位置開始，在控制量數據數組X和被控制量數據數組Y中往上或往下搜尋上述步驟(I)中確定的控制量實際初始值a和被控制量實際初始值b ;若a、b均為X和Y中的元素，即a=X1、b=yj,則被控制量的兩個實際判定閾值zz、ss分別等於與X1、&相對應的Z、S中的元素，即ZZ=Zij^ SS=Sij,其中，I ≤ i〈N, I ≤ j〈N ;若a介於X中的兩個元素Xi' xi+1之間，貝Ij利用線性插值內推法預測被控制量的兩個實際判定閾值zz、ss，其計算公式為:ZZ=Zij+[Z(i+1)j-Zij](a-Xi) / (Xw-Xi), SS=Sij+[S(^1)j-Sij] (a-Xi) / (Xw-Xi)，其中，I ≤ i〈N, I ≤ j〈N ;若13 介於 Y 中的兩個元素5V&+1之間，則利用線性插值內推法預測被控制量的兩個實際判定閾值zz、ss，其計算公式為 czsZij+HzKj+D-Zij] (b-yj) / (yJ+1-yj) SS=Sij+[Si(^1)-Sij] (b-yj) / (yj+1-yj)，其中，I ≤ i〈N，l ≤ j<N ； (4)確定所述複雜數字控制系統輸出由當前運行狀態向目標運行狀態切換的控制信號的準確時刻:將實時採樣獲得的所有被控制量運行數據bb依次與上述步驟(3)中確定的被控制量實際判定閾值zz、ss進行比較，直至當第r個採樣點的被控制量運行數據bb(r)大於等於zz同時小於ss ;然後採用線性插值內推法預測bb從bb(r)開始，直至運行到bb等於ss的時間長度Tg，其計算公式為:Tg=[SS-bb(r)] Ts/(ss-zz);然後，所述複雜數字控制系統將在Tg延時後，立即輸出向目標運行狀態切換的控制信號。
2.據權利要求1所述的用於複雜數字控制系統的預測控制方法，其特徵在於:所述複雜數字控制系統為超導磁體受控恆壓放電控制系統。
全文摘要
本發明公開了一種用於複雜數字控制系統的預測控制方法。該預測控制方法首先根據所述複雜數字控制系統的動態數學模型及系統參數，預先迭代計算得到所有運行狀態的狀態切換判定數組；然後結合爬坡搜尋法和線性插值法，快速預測系統運行狀態切換的參數臨界閾值及產生相應控制信號的精確時間點，從而使所述複雜數字控制系統的被控制量嚴格限制在預設閾值範圍內。與現有技術相比，本發明既保持了基於數學模型在線迭代計算的預測方法的精確性，又兼有了基於插值預測法的快速計算特性，適用於存在多個動態變化系統參數且在線迭代計算時間較長的複雜數字控制系統。
文檔編號G05B19/18GK103092129SQ20131003273
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月29日 優先權日2013年1月29日
發明者金建勳, 陳孝元, 周鑫 申請人:電子科技大學