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一种基于子空间lqg基准的MPC性能分析方法

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华东理工大学学报（自然科学版） 2013年第6期39卷 707-712页

作者：史亚杰田学民曹玉苹中国石油大学(华东)信息与控制工程学院山东青岛266580

为保证过程零稳态误差,过程控制器通常包含积分环节。为了考虑积分作用,针对无穷时域MPC目标函数,采用控制增量代替控制量设计lqg(Linear Quadratic Gaussian)控制器,提出一种基于子空间的lqg基准计算方法用于MPC性能分析。该方法利用... 详细信息

为保证过程零稳态误差,过程控制器通常包含积分环节。为了考虑积分作用,针对无穷时域MPC目标函数,采用控制增量代替控制量设计lqg(Linear Quadratic Gaussian)控制器,提出一种基于子空间的lqg基准计算方法用于MPC性能分析。该方法利用过程闭环运行数据和子空间辨识算法估计子空间矩阵和噪声方差,进而求取最优lqg基准方差。在Wood-Berry二元精馏塔上的仿真验证了所提方法的有效性。

关键词：性能分析模型预测控制 lqg基准子空间辨识方差

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基于子空间辨识的lqg基准控制性能评价

基于子空间辨识的LQG基准控制性能评价

作者：邬芬浙江工业大学

学位级别：硕士

现代大型生产过程通常包含大量的控制器（如PID、MPC等）,这些控制器在工程实施初期一般都能满足预定的设计要求,获得较好的性能。但如果平时不加定期维护,控制性能会因各种原因逐渐下降。控制性能变坏将大大降低控制器的有效性,从而可... 详细信息

现代大型生产过程通常包含大量的控制器（如PID、MPC等）,这些控制器在工程实施初期一般都能满足预定的设计要求,获得较好的性能。但如果平时不加定期维护,控制性能会因各种原因逐渐下降。控制性能变坏将大大降低控制器的有效性,从而可能产生很多问题,如次品增加、产量降低、操作成本提高等。目前最常用的控制性能评价基准是最小方差基准,而实际控制系统往往并不仅仅要求过程输出方差最小,还要求控制成本最低。lqg控制性能基准考虑了控制成本和输出方差的要求,更符合工业控制实际。一般的,无论是最小方差基准还是lqg基准的计算均需要过程模型知识,或对持续激励的过程采集数据辨识模型用于性能评价。而控制系统运行过程中采集的数据往往是无持续或部分持续激励的。针对上述情况,本文致力于研究无持续激励系统的辨识及性能评价问题。在阅读现有相关文献和前人研究工作的基础上,本文从理论和实际应用角度,对无持续激励下的子空间辨识和lqg基准控制性能评价方法进行了较为深入的研究。论文的主要研究工作及成果如下: 1.针对常用的控制性能基准计算要求过程模型而实际控制系统运行又不存在充分激励信号的现状,讨论了在无外部持续激励下基于闭环快采样子空间模型的可辨识性,提出了无外部持续激励条件下的闭环快采样子空间辨识方法,在常规采样的可辨识性条件不满足或部分满足的情况下,通过对闭环系统控制对象的输入输出变量快采样来实现对象模型辨识,并通过仿真实例验证了基于快采样辨识算法的有效性。 2.目前很多控制系统的性能要求上,并不仅仅希望过程输出方差最小,还要求控制成本最低。本文采用lqg基准来评价控制性能,给出了相应的辨识及性能评价方法步骤。在基于快采样子空间辨识得到无持续激励系统的中间子空间矩阵基础上,计算得到基于lqg基准的控制性能指标。并将方法扩展到具有可测干扰的系统中。 3.通过对实验室水位控制系统的控制实验及数据处理,验证了上述辨识及性能评价方案的可行性。

关键词：持续激励快采样子空间辨识闭环辨识 lqg基准

基于子空间lqg基准的控制器参数优化方法研究

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基于子空间LQG基准的控制器参数优化方法研究

作者：王坤芳华北电力大学

学位级别：硕士

控制系统性能评价对于确保过程控制的效率和安全盈利的运行十分必要，由于一些近似假设、传感器或者执行器受损、设备结垢等等原因可能影响控制系统的性能，导致控制系统性能与设计方案之间产生差距，这样可能引发很多问题。因此研究控... 详细信息

控制系统性能评价对于确保过程控制的效率和安全盈利的运行十分必要，由于一些近似假设、传感器或者执行器受损、设备结垢等等原因可能影响控制系统的性能，导致控制系统性能与设计方案之间产生差距，这样可能引发很多问题。因此研究控制系统的性能评价方法，用得出的理想性能指导控制器参数的调整，这对确保控制器在工作过程中具有良好的性能有很重要的意义。本文进行的是基于子空间lqg基准的控制器参数优化方法研究，选择该方法的原因是基于子空间lqg的性能评价相比于其他性能评价方法而言综合考虑了控制器的作用和系统整体输出，更加符合工程实际。本文首先根据被控对象参数，进行子空间矩阵变换，设计最优lqg控制器，得出理想性能标准，基于性能标准就可以对被控对象的不同控制参数或不同控制作用下的性能进行分析，得出当前控制作用与理想性能之间的量化差距，直观的反映控制效果。对控制系统进行性能评价之后，需要进一步的控制优化工作，应用基于子空间lqg基准的评价过程能够计算出最优的控制器输出序列和系统输出序列，对这些数据分析处理转化为控制器对应的输入输出序列，应用粒子群智能算法对控制器参数进行辨识，得出最优的的控制器参数。这组参数作用下计算出的控制系统性能是十分接近理想性能的，实现了基于子空间lqg基准的性能评价进行控制器参数优化的目的。最后，验证得出的最优控制参数的效果和基于子空间lqg基准的性能评价方法的有效性。通过对基于子空间lqg基准的控制器参数优化方法进行分析、计算，并应用MATLAB软件对控制系统进行编程实现，给出了定量化的结果。为今后将该种方法应用于工业实际现场控制中夯实了理论基础，并为以后的控制系统参数优化提供参考。

关键词： lqg基准子空间矩阵性能评价 PSO优化

基于子空间线性二次高斯的风电机组控制性能量化评估

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热力发电 2024年第3期53卷 14-23页

作者：王玙张扬帆杨伟新梁恺高峰钱晨凯华北电力科学研究院有限责任公司北京100045 华北电力大学控制与计算机工程学院北京102206

针对目前风电机组控制性能综合评估时缺乏量化标准与评估方法的问题,提出了一种基于子空间线性二次高斯(lqg)的控制性能量化评估方法,利用子空间矩阵法求解出评估权衡曲线,确立了风电机组lqg控制性能基准与评估指标。以增加塔架阻尼减... 详细信息

针对目前风电机组控制性能综合评估时缺乏量化标准与评估方法的问题,提出了一种基于子空间线性二次高斯(lqg)的控制性能量化评估方法,利用子空间矩阵法求解出评估权衡曲线,确立了风电机组lqg控制性能基准与评估指标。以增加塔架阻尼减载控制改造的机组作为评估算例,采用2种数据处理策略进行改造前、后变桨控制性能的多变量综合量化评估。结果表明:2种数据处理策略均可得到准确有效的量化评估结果,所提评估方法可以实现对控制策略优化效果的综合量化评价。

关键词：风电机组子空间矩阵控制性能评估 lqg基准权衡曲线

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基于子空间辨识的控制回路性能评估

基于子空间辨识的控制回路性能评估

作者：储天舒江南大学

学位级别：硕士

控制器的性能影响工业生产的安全和效率。在实际工业过程中,因控制系统得不到及时维护,其性能通常会随时间逐渐恶化。控制性能评估技术可以评估和量化控制器的性能,判断性能是否下降,并为控制性能优化提供指导。随着计算机算力的快速提... 详细信息

控制器的性能影响工业生产的安全和效率。在实际工业过程中,因控制系统得不到及时维护,其性能通常会随时间逐渐恶化。控制性能评估技术可以评估和量化控制器的性能,判断性能是否下降,并为控制性能优化提供指导。随着计算机算力的快速提高,以前认为计算负担过重的子空间辨识技术为控制性能评估提供了一种新的有效工具。本文基于子空间辨识思想和数据驱动方法,对几种控制性能评估方法进行了研究,主要内容包括:(1)提出一种基于子空间非参数模型的PID控制器性能评估方法。该方法主要利用子空间辨识中间过程的矩阵,为计算PID控制器最佳性能提供所需的非参数模型。首先,利用子空间矩阵等式推导出控制器性能关于PID参数的显式表达;然后,利用具有设定值激励的闭环数据,分别对过程模型和随机扰动模型对应的子空间矩阵进行辨识,并将估计的动态矩阵直接应用在最佳性能的计算中,以此得到最优的控制器参数。最后,通过数值仿真和实际水箱液位控制系统验证了该方法的有效性。(2)针对多变量控制系统性能评估中,最小方差(Minimum variance,MV)性能指标求取过程存在的噪声模型辨识复杂和模型失配问题,利用子空间辨识的投影思想,提出一种不需拟合噪声模型的MV指标计算方法。首先,利用过程对象的酉关联矩阵构造多变量时间延迟(Multivariate time delay,MTD)矩阵,该矩阵用于后续对系统输出滤波;然后,推导出状态反馈下的最小方差控制律,再结合系统闭环下的状态空间模型,利用输出数据间的投影实现多变量控制系统的性能评估,指出了最小方差输出空间为一般输出空间的一个最优子空间;最后,通过多变量非方系统和变时延系统的数值仿真案例,验证了该方法的有效性。(3)针对监督控制系统,在子空间模型框架下研究了线性二次型高斯(Linear quadratic Gaussian,lqg)控制器的设计和lqg基准的性能评估方法。首先,在调节器顶部的监督控制层中使用先进控制器,形成了监督-调节的控制结构,讨论了监督控制结构中lqg控制器设计的三种可能的情况;然后,为每种情况推导了基于子空间模型的控制律,在子空间框架中给出了lqg性能评估基准的计算方法;最后,基于该方法对精馏塔过程实现了监督lqg控制器设计和lqg基准的性能评估。

关键词：控制性能评估子空间辨识 PID最佳可达最小方差 lqg基准

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基于方差指标的控制性能评估方法与系统设计

基于方差指标的控制性能评估方法与系统设计

作者：陈飞江南大学

学位级别：硕士

在现代工业生产中,控制系统对提升产能有着至关重要的作用,但在实际工程中控制系统的性能良莠不一,即使有好的性能,也会随时间推移逐渐下降,从而影响企业效益。基于方差指标的控制性能评估技术重在利用系统运行时的过程数据对控制系统... 详细信息

在现代工业生产中,控制系统对提升产能有着至关重要的作用,但在实际工程中控制系统的性能良莠不一,即使有好的性能,也会随时间推移逐渐下降,从而影响企业效益。基于方差指标的控制性能评估技术重在利用系统运行时的过程数据对控制系统的方差性能进行评估,通过评估结果可以时刻掌握控制系统性能状态,并为性能不好的回路提供参考基准。论文在分析现有控制性能评估技术的基础上,主要研究内容如下:1)针对单变量系统控制性能评估中,最小方差性能评估方法在实际应用中的不足和使用FCOR算法估计指标时需要噪声序列为已知条件这一限制,提出以广义最小方差为指标,并利用子空间方法估计未来时刻的广义噪声序列,进而对单变量控制系统性能进行评估的策略。首先介绍了单变量广义最小方差控制器的设计方法,以此控制器下的广义输出为基准定义广义最小方差指标,并推导了FCOR算法应用于广义最小方差指标时的计算公式。然后根据采集的过程数据构建系统广义输出信号,通过广义输出与过程数据构建的数据矩阵辨识未来序列的广义噪声信号,再将广义噪声信号与广义输出信号带入计算公式得到评估指标。最后以连续搅拌釜式加热器作为仿真对象验证了该方法的有效性。2)针对多变量控制系统实时性能评估中,最小方差性能指标因估计关联矩阵运算复杂导致的求取困难问题,提出了一种基于lqg权衡曲线的多变量实时性能评估方法。首先通过子空间辨识算法从过程数据辨识得到系统过程模型子空间与扰动模型子空间,然后以子空间矩阵推导lqg目标函数最优下的控制率,改变目标函数中的权重参数可得到不同的控制率,由不同控制率下的系统输入方差与输出方差绘制lqg权衡曲线,以此权衡曲线为工具,通过时间窗的移动得到不断变化的实时性能指标,再通过性能指标的变化趋势预测未来时刻性能的优劣,尽早发现系统潜在的隐患。最后以一例多变量模型为研究对象验证所提方法的有效性。3)基于对传统控制性能评估算法的分析,再结合上述所提的两种改进控制性能评估算法,开发了一套基于WEB的过程控制性能评估软件。该软件可以对用户上传的工业数据分析处理与保存,展示数据变化趋势与平均值、方差等基本统计数据,同时根据系统类型的不同提供回路相关的最小方差、广义最小方差、lqg等多种方差性能指标。软件集成多种控制性能评估相关算法,包括:平稳性分析、差分算法、时延估计、时间序列分析、系统辨识等,可从上传数据中全面多角度地挖掘控制回路性能相关的各类信息。返回给用户的信息除了相关指标数字,还有可视化的图形分析,帮助工程师快速了解当前系统的方差性能。最后以某化工集团的精馏塔过程数据对软件进行测试,验证了软件的实用性与可靠性。

关键词：控制性能评估子空间辨识广义最小方差指标 lqg基准权衡曲线

基于线性二次型高斯基准的多变量预测控制技术经济性能评估

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控制理论与应用 2012年第12期29卷 1530-1536页

作者：刘詟苏宏业谢磊古勇浙江大学智能系统与控制研究所工业控制技术国家重点实验室浙江杭州310027

由于受控过程参数的漂移及缺乏维护,令采用的控制器性能逐渐降低,需要做经济性能评估,以确保其最佳运行状态.因为目前最小方差评估算法没有考虑控制器的约束条件,对此我们采用线性二次型高斯(linearquadratic Gaussian,lqg)基准的模型... 详细信息

由于受控过程参数的漂移及缺乏维护,令采用的控制器性能逐渐降低,需要做经济性能评估,以确保其最佳运行状态.因为目前最小方差评估算法没有考虑控制器的约束条件,对此我们采用线性二次型高斯(linearquadratic Gaussian,lqg)基准的模型预测控制(model predictive control,MPC)双层优化控制结构,将控制和输出的加权值引入上层经济性能指标,通过求解lqg问题获取控制与输出方差关系的离散点集,进一步拟合Pareto最优曲面方程,建立优化命题并求解最优经济指标及设定值.对延迟焦化加热炉的多变量MPC控制进行了性能评估及分析,证明该方法可以改进控制器设计,提高经济效益.

关键词：模型预测控制经济性能评估 lqg基准 Pareto最优曲面

基于子空间辨识的模型预测控制器经济性能评估方法

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计算机与应用化学 2011年第7期28卷 863-866页

作者：罗芝芬田学民中国石油大学(华东)信息与控制工程学院山东东营257061

目前模型预测控制器(MPC)的经济性能评估(EPA)方法多依赖于过程解析的稳态模型,为了更方便有效的对MPC经济性能进行评估,本文提出一种基于子空间辨识的模型预测控制器经济性能评估方法,仅利用过程操作数据即可实现对控制器的经济性能评... 详细信息

目前模型预测控制器(MPC)的经济性能评估(EPA)方法多依赖于过程解析的稳态模型,为了更方便有效的对MPC经济性能进行评估,本文提出一种基于子空间辨识的模型预测控制器经济性能评估方法,仅利用过程操作数据即可实现对控制器的经济性能评估,避免了对过程解析稳态模型的依赖性。利用已知过程操作数据,通过子空间辨识求取子空间矩阵,进而得到各输入输出变量间的稳态关系及lqg控制策略下各输入输出变量方差与加权系数的关系并将其直接应用于控制器经济性能优化。在Woodberry塔上的仿真实验验证了该方法的可行性和有效性。

关键词：模型预测控制器经济性能评估子空间辨识 lqg基准

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基于闭环SOPIM的lqg性能评价研究

科技通报 2010年第5期26卷 687-691页

作者：季春华左信高世萍中国石油大学北京102249

控制系统性能评价对过程工业具有重要意义。在实际应用中,传统线性二次高斯(Linear Quadratic Gaussian,lqg)性能评价要求已知过程参数模型,但是系统模型的精确辨识计算量大,且可靠性低。针对上述问题,本文对基于闭环子空间正交投影辨... 详细信息

控制系统性能评价对过程工业具有重要意义。在实际应用中,传统线性二次高斯(Linear Quadratic Gaussian,lqg)性能评价要求已知过程参数模型,但是系统模型的精确辨识计算量大,且可靠性低。针对上述问题,本文对基于闭环子空间正交投影辨识方法(Subspace Orthogonal Projection Identification Method,SOPIM)的lqg性能评价进行研究,并通过仿真实验证实该方法的有效性。

关键词：性能评价闭环子空间正交投影辨识 lqg基准