[科普中国]-变结构预测控制

变结构滑模控制的鲁棒性好，算法也较简单，是一种比较适合于实际应用的技术.但变结构滑模控制对系统时滞较为敏感，易于在设定点附近产生所谓“颤振”现象，大时滞系统则会导致滑模条件的破坏，引起系统振荡.实际被控对象一般都具有或大或小的时滞，这就使这一优良的控制技术难以大量推广应用。在变结构滑模控制中引入了参数辨识器和状态预估器，使之具有较强的自适应能力，可对大滞后和变参数对象进行有效控制，并称之为变结构预测控制(Variable Structure Prediction Control )，简称为VSPC。

VSPC的结构框图见图11。

图1

辨识器通过在线收集到的数据不断对过程进行辨识，估计过程模型的参数，状态预估器则依据此模型对系统状态进行预报，以克服系统所存在的时滞影响.变结构滑模控制也依据此模型整定控制参数，并依据预报状态对系统进行快速的结构切换，使系统状态沿着滑模超平面迅速而无超调地到达设定状态。

对存在着时滞的变结构系统，可用下述系统方程和控制方程表示：

一般自适应调节器，包括VSPC在内都是工作在闭环条件下，这就产生了闭环参数可辨识问题。

在闭环系统中，由于反馈的作用，不同的输入可能获得几乎相同的输出，因此所能提供的系统动态特性的信息较之开环要少得多；此外，在开环系统中，输入和输出所受到的干扰是不相关的，但在闭环系统中，输入总是与输出噪声相关。这些原因造成了闭环辨识的困难，并可能因此而产生参数不完全辨识问题一般的自适应调节器为了满足可辨识条件，采用了人为指定一些参数而不参加辨识的方法，使其余参数能得到有效辨识，但这无疑会影响到系统的性能，使之难于达到最优.但VSPC情形完全不同，它是通过切换调节器来对系统进行有效控制的，是一种非线性控制系统，因此不存在闭环参数可辨识问题。

对于带时滞的由二个惯性环节串联而成的二阶系统，系统迅速而无超调地到达了设定点。虽然系统的滞后比较大，但VSPC的控制十分有效.

既使系统是具有较大滞后的非最小相位系统，VSPC仍能进行有效控制。

变结构预测控制(VSPC)是一种具有实用价值的新型控制技术。辨识器和预估器的引入，使变结构滑模控制具有了较强的自适应能力，鲁棒性也得到进一步的加强。另一方面，变结构控制也使闭环参数的完全辨识成为可能。二者的结合是相辅相成而又相得益彰。

变结构控制是一种普遍适用的控制系统综合方法，它利用切换函数将控制系统的设计转化为求解控制量，因而系统设计比较简单。与传统的预测控制方法相比，该算法具有设计简单、易于实现的优点。

采用以上变结构预测控制算法，可以应用协调的控制策略。在控制结构上，新协调方案保留常规锅炉主控方案中的“前馈”+“反馈”的控制模式。在主汽压力和分离器温度的闭环控制回路中，采用变结构预测控制VSPC(Variable Structure Predicrive Control)代替常规的PID控制器。PID调节器是根据当前和以前的被控偏差来计算控制作用，而VSPC是主要根据被调量未来的预测值来计算控制作用，很明显VSPC可以提前控制和调节，适合于大滞后被控过程的控制2。