基于模型预测控制的分层预测控制系统及其控制方法

摘要

一种基于模型预测控制的分层预测控制系统及方法，包括：上层传统预测控制模块、传感器和下层实时反馈校正模块，其中：上层传统预测控制模块的输入端和下层实时反馈修正模块的输入端分别与传感器的输出端相连，传感器的输入端与控制对象的输出端相连，上层传统预测控制模块与下层实时反馈修正模块连接，下层实时反馈修正模块的输出端与控制对象相的输入端连接，在每个控制时刻，下层实时反馈修正模块能修正从上层传统预测控制模块送入的优化所得控制量，并输送给被控对象。本发明在保证控制器的控制性能的同时，解决了在部分快速系统中，推广了预测控制器在快速系统中的应用，具有实用性和应用价值。

主权项

一种利用基于模型预测控制的分层预测控制系统的控制方法，该分层预测控制系统，包括：上层传统预测控制模块、传感器和下层实时反馈修正模块，其中：上层传统预测控制模块的输入端和下层实时反馈修正模块的输入端分别与传感器的输出端相连，且按照不同的频率接收系统对象状态值，传感器的输入端与控制对象的输出端相连，上层传统预测控制模块与下层实时反馈修正模块连接，下层实时反馈修正模块的输出端与控制对象相的输入端连接以输出控制策略；其特征在于，该控制方法包括如下步骤：第一步：采用状态空间模型描述电枢控制直流电动机的系统模型，其中：状态向量x(t)分别是整流器平均输出直流电压、直流电机的电枢电流和电机的反电动势，控制量u(t)为调节触发装置的控制电压，输出量y(t)为直流电机的转速，和分别为系数矩阵；对状态空间模型离散化，得到离散状态空间模型x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)，y(k)＝Cx(k)；第二步：下层实时反馈修正模块根据采样周期，在k时刻发布采样命令，对电枢控制直流电动机系统的状态向量进行检测，检测的信号通过模拟量输入通道经A/D转换后，输送给下层实时反馈修正模块；第三步：上层传统预测控制模块进行优化问题的求解，下层实时反馈修正模块判断当前时刻是否满足k＝mT：当k＝mT，则下层实时反馈修正模块通知上层传统预测控制模块通过总线通讯将其优化所得的控制变量写入下层实时反馈修正模块的存储器，然后上层传统预测控制模块接收传感器检测到的系统状态，完成上述操作后，上层传统预测控制模块关闭系统总线通讯，进入第四步；否则，下层实时反馈修正模块直接进入第四步；第四步：下层实时反馈修正模块根据第二步检测得到的系统状态信息，计算出从当前时刻到未来m步的所有控制量的修正方向，利用控制增量的负梯度方向作为修正方向，然后计算出基于该方向时使优化目标值降低最多的步长作为修正步长，以修正存储器中从当前时刻到未来m步由上层传统预测控制模块优化而得的控制量，并将修正后的控制序列的第一个控制变量输出到被控对象；第五步：下层实时反馈修正模块将修正后的第一个控制变量输出到被控对象，然后将修正后的控制序列写入存储器，覆盖存储器中的原有控制向量，完成优化控制，在下一个采样周期，重复第二步开始执行新的优化控制周期。