[科普中国]-预测PI控制

简介预测控制

预测控制约产生于 20 世纪 70 年代后期，是一类极具潜力的新型计算机控制算法。模型预测控制是预测控制的一种，简称为 MPC，它基于对象的阶跃或者脉冲响应模型，控制策略分为三步：滚动优化、多步测试和反馈校正。核心思想是：可以更具系统的阶跃响应或者脉冲响应得到特定输入在整个时间范围内的输出，那么反过来，想要得到特定的输出，便可以解算出特定的输入。MPC的主要特点是：多样的预测模型，时变的滚动优化，鲁棒的在线校正。预测控制算法面向工业复杂的过程对象，在实际工业生产过程中得到了广泛应用1。

预测PID控制Haggland 于 1992 年提出预测 PID 控制器的思想。此后，预测 PID 控制算法得到了逐步的发展与完善，许多复杂的控制系统成功验证了预测 PID 算法的有效性。当前为止，预测 PID 控制算法可以归纳为以下两种：

(1) PID 控制器具备预测功能。从本质上推理，这类控制器是 PID 控制器，是由广义预测控制(GPC)算法设计而成。从结构上导出，这类控制器是采用模型预测控制与 PID 结合，模型预测控制使控制器输出值不精确，需要结合 PID 的反馈，对输出值进行校正。(MPC)算法依据一些先进控制机理，如广义预测原理，内模原理，模糊理论，遗传算法和人工智能原理来设计控制参数，从而使控制系统具有预测功能。

(2) 控制器融合 PID 算法和预测 PI 算法。这种控制器包括 PID 控制器和预测控制器，PID 控制器保留着传统控制器对模型精度要求不高的优点，而与过程的滞后时间没有关系，而预测控制器则主要依赖控制过程的滞后时间常数，根据以前的预估控制量预测当前所需的控制作用2。

预测PI控制算法基本原理该控制器主要由两部分构成：PI 部分和预测部分。它有 5 个参数，其中的 3个参数是可以调节的。控制器的输入输出关系可用下式进行表示：

其中，p 称作微分算子， e (t)是控制器的输入， u (t)是控制器的输出； 是 PI 控制器， 是预测控制器；对于控制器参数的选择上，K一般选为过程增益的倒数，Ti是过程的主导时间常数，l 是过程的滞后时间。

因此，该类控制器与 PID 控制器相比，具有结构简单且参数整定方便，并能够实现对大滞后过程的输出信号进行预测，同时具有抑制噪声的优点。

1995 年，Astrom 提出了一个与上述结构类似的预测 PI 控制器。其输入输出关系可用下式进行描述：

与前一个预测 PI 控制器相比较而言，该控制器引入可调参数 ，其主要作用是改变系统响应的速度。若 =1 时，则系统开环和闭环具有相同的时间常数；若 >1 时，则系统闭环响应速度慢于开环响应速度；若