自來(lái)水在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)和生活中起著的重要作用,是經(jīng)濟(jì)的命脈,是保障人民生活和發(fā)展生產(chǎn)建設(shè)不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)。但是,由于水源遭受的污染日益嚴(yán)重,給水廠常規(guī)工藝處理和控制帶來(lái)一定的困難,水質(zhì)情況不容樂觀。歐共體、美國(guó)等國(guó)和世界衛(wèi)生組織規(guī)定的檢測(cè)項(xiàng)目比我們的多,水質(zhì)指標(biāo)比我們嚴(yán),而且他們實(shí)際執(zhí)行的是比指標(biāo)規(guī)定更嚴(yán)格的指導(dǎo)值或推薦值,所以,我國(guó)供水水質(zhì)與國(guó)外的相比存在一定的差距,還不能很好地適應(yīng)發(fā)展的需要。隨著工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高,對(duì)水質(zhì)的要求也越來(lái)越高。年,國(guó)家新頒布的《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》規(guī)定,出廠水濁度指標(biāo)小于原來(lái)指標(biāo)為。為適應(yīng)新要求新形勢(shì),必須采取相應(yīng)有效的措施。《城市供水行業(yè)年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃》指出,根據(jù)供水企業(yè)的特點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo),使凈水過程都處于受控狀態(tài),提出凈水過程全面質(zhì)量控制,在保證安全供水,供出優(yōu)質(zhì)水的前提下,合理地降低藥耗和電耗,提高控制和管理水平。由于水的濁度高低在一定程度上反映了水質(zhì)的好壞,結(jié)合當(dāng)前我國(guó)實(shí)際情況,要合理降低水的濁度,如果要求普遍采取深度水處理是不現(xiàn)實(shí)的,應(yīng)該通過技術(shù)改造和完善管理措施,充分利用現(xiàn)有資源,在常規(guī)處理和控制技術(shù)上多想點(diǎn)辦法。有資料表明水的濁度與有機(jī)物關(guān)系十分密切,將水中濁度降低到,則有機(jī)物可減少,如果加強(qiáng)常規(guī)處理,降低出水濁度,并且結(jié)合合理地加氯,不僅可以有效地將出廠水中揮發(fā)性有機(jī)物降低,對(duì)半揮發(fā)性有機(jī)物也能降低,衛(wèi)生毒理學(xué)方面試驗(yàn)致突變活性下降,致溫血?jiǎng)游锛?xì)胞染色體畸變活性下降。由此看出,采取合理有效的措施,降低出水濁度,既有利于減小水中有機(jī)物的含量,降低有機(jī)物對(duì)人體的危害,又有利于滿足一些用戶如醫(yī)療,精密加工制造等行業(yè)對(duì)特殊水質(zhì)的要求。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,給水工程中的許多工藝都實(shí)現(xiàn)了智能控制。江西洪城水業(yè)集團(tuán)朝陽(yáng)水廠的投藥系統(tǒng)經(jīng)過改造實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。其自動(dòng)投藥系統(tǒng)由投藥量計(jì)算和投藥量執(zhí)行兩部分組成,投藥量計(jì)算部分又分為兩個(gè)子系統(tǒng)前饋專家控制和反饋比例控制。其中反饋比例控制器能根據(jù)濾前水濁度對(duì)投藥量作微調(diào)調(diào)節(jié)幅度限制在最大加藥量的,濾前水濁度采樣值送至投藥量計(jì)算部分,與濁度設(shè)定值比較得出濁度偏差量,從而通過反饋比例控制調(diào)整前饋控制器得出的加藥量,獲得最佳投藥量。但是單純采用反饋比例調(diào)節(jié)作為微調(diào),其反饋性能不是很好。雖然系統(tǒng)采用濾前水濁度作為控制目標(biāo),在一定程度上把控制目標(biāo)提前,但實(shí)際上仍然存在較大的滯后約多分鐘。因此,為了減小系統(tǒng)的大滯后性帶來(lái)的不利影響,現(xiàn)將預(yù)測(cè)控制應(yīng)用到自動(dòng)投藥系統(tǒng)中。
預(yù)測(cè)控制概論
20世紀(jì)年代后期,在美、法等國(guó)的工業(yè)過程領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了一類新型的計(jì)算機(jī)控制算法,如動(dòng)態(tài)矩陣控制、模型算法控制。這類算法以對(duì)象的階躍或脈沖響應(yīng)為模型,采用滾動(dòng)推移的方式在線地對(duì)過程實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制,在復(fù)雜的工業(yè)過程中顯現(xiàn)出良好的控制性能。年,形等首次詳細(xì)闡述了這類算法產(chǎn)生的動(dòng)因、機(jī)理及其在工業(yè)過程中的應(yīng)用效果。從此,預(yù)測(cè)控制作為這類新型控制算法的統(tǒng)一名稱,便開始出現(xiàn)在控制領(lǐng)域中。
預(yù)測(cè)控制的產(chǎn)生,并不是理論發(fā)展的需要,而首先是工業(yè)實(shí)踐向控制提出的挑戰(zhàn)。眾所周知,世紀(jì)年代初形成的現(xiàn)代控制理論,在航天、航空等領(lǐng)域都取得了輝煌的成果。利用狀態(tài)分析法分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng),提高了人們對(duì)被控對(duì)象的洞察能力,提供了在更高層次上設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的手段。特別是,立足于最優(yōu)性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)理論和方法已經(jīng)趨于成熟,這對(duì)于在工業(yè)過程中追求更高控制質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的控制工程師來(lái)說(shuō),無(wú)疑具有極大的吸引力。然而,人們不久就發(fā)現(xiàn),在完美的控制理論與實(shí)踐之間還有巨大的鴻溝。這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）現(xiàn)代控制理論的基點(diǎn)是對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型,而在工業(yè)過程中所涉及的對(duì)象往往是多輸入、多輸出的高維復(fù)雜系統(tǒng),其數(shù)學(xué)模型很難確立,即使建立了模型,從工程實(shí)用的角度來(lái)說(shuō),往往需要簡(jiǎn)化,從而很難保證得到對(duì)象精確的模型。
（2）工業(yè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、環(huán)境都具有很大的不確定性。由于這些不確定性的存在,按照理想模型得到的最優(yōu)控制在實(shí)際上往往不能保證最優(yōu),有時(shí)甚至?xí)鹂刂破焚|(zhì)的嚴(yán)重下降。在工業(yè)環(huán)境中,人們更關(guān)注的是控制系統(tǒng)在不確定性影響下保持良好性能的能力,即所謂魯棒性,而不能只追求理想的緩優(yōu)性。
（3）工業(yè)控制中必須考慮控制手段的經(jīng)濟(jì)性,對(duì)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的要求不能太高。因此,控制算法必須簡(jiǎn)易以滿足實(shí)時(shí)性的要求。而現(xiàn)代控制理論的許多算法往往過于復(fù)雜,難以用低性能的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。
這些來(lái)自實(shí)際的原因,阻礙了現(xiàn)代控制理論在復(fù)雜工業(yè)過程中的有效應(yīng)用,也向控制理論提出了新的挑戰(zhàn)。為了克服理論與應(yīng)用之間的不協(xié)調(diào),從世紀(jì)年代以來(lái),除了加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)辨識(shí)、模型簡(jiǎn)化、自適應(yīng)控制、魯棒控制等的研究外,人們開始打破傳統(tǒng)方法的約束,試圖面對(duì)工業(yè)過程的特點(diǎn),尋找各種對(duì)模型要求低、控制綜合質(zhì)量好、在線計(jì)算方便的優(yōu)化控制新算法。在此期間,數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,也為新算法的產(chǎn)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。預(yù)測(cè)控制就是在這種背景下發(fā)展起來(lái)的一類新型計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制算法。最早產(chǎn)生于工業(yè)過程的預(yù)測(cè)控制算法,有形、等提出的建立在脈沖響應(yīng)基礎(chǔ)上的模型預(yù)測(cè)啟發(fā)控制。,簡(jiǎn)稱,或稱,提出的建立在階躍響應(yīng)基礎(chǔ)上的控制。由于這類響應(yīng)易于從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)直接獲得,并不要求對(duì)模型的結(jié)構(gòu)有先驗(yàn)知識(shí),所以不必通過復(fù)雜的辨識(shí)過程便可設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。這些預(yù)測(cè)算法汲取了現(xiàn)代理論控制的優(yōu)化思想,但用不斷的在線有限優(yōu)化,即所謂滾動(dòng)優(yōu)化,取代了傳統(tǒng)的最優(yōu)控制。由于在優(yōu)化過程中利用實(shí)測(cè)信息不斷進(jìn)行反饋校正,所以在一定程度上克服了不確定性的影響,增強(qiáng)了控制的魯棒性。此外,這些算法的在線計(jì)算比較容易。這些特點(diǎn)使它們很適合于工業(yè)控制的實(shí)際要求。世紀(jì)年代后期,模型算法控制和動(dòng)態(tài)矩陣控制分別在鍋爐和分餾塔的控制以及石油加工的生產(chǎn)裝置上獲得了成功的應(yīng)用,從而引起了工業(yè)控制界的廣泛興趣。此后,基于對(duì)象脈沖或階躍響應(yīng)的
各種預(yù)測(cè)控制算法相繼出現(xiàn),有些算法已形成了商品化軟件包,在石油、化工、電力等領(lǐng)域的過程控制中取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
除了直接來(lái)自工業(yè)控制的以對(duì)象非參數(shù)模型為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)控制算法外,還出現(xiàn)了另一類算法。世紀(jì)年代初期,人們?cè)谧赃m應(yīng)控制的研究中發(fā)現(xiàn),為了克服最小方差控制的弱點(diǎn),有必要汲取預(yù)測(cè)控制中的多步預(yù)測(cè)優(yōu)化策略,這樣可以大大增強(qiáng)算法的適用性和魯棒性,因此出現(xiàn)了基于辨識(shí)模型并帶有自校正的預(yù)測(cè)控制算法,如擴(kuò)展時(shí)域預(yù)測(cè)自適應(yīng)控制,廣義預(yù)測(cè)控制等。此外等年在研究一類新型控制結(jié)構(gòu)一內(nèi)?？刂瓶?簡(jiǎn)稱時(shí),發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)控制算法與這類控制結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系,從而從結(jié)構(gòu)的角度對(duì)預(yù)測(cè)控制作了更深入的研究。這些研究和應(yīng)用,有力的推動(dòng)了預(yù)測(cè)控制的進(jìn)一步展現(xiàn)在我們所說(shuō)的預(yù)測(cè)控制,就包括了上述來(lái)自工業(yè)控制、自適應(yīng)控制及內(nèi)?？刂频榷喾矫娴难芯砍晒Ｋ鼈兘y(tǒng)稱為模型預(yù)測(cè)控制,或基于模型的控制其應(yīng)用范圍也己超過了過程控制領(lǐng)域,而應(yīng)用到機(jī)器人、飛行器、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等更廣泛的領(lǐng)域內(nèi)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)預(yù)測(cè)控制的研究和應(yīng)用日趨廣泛。從年起,每年的美國(guó)控制年會(huì)上都有關(guān)于預(yù)測(cè)控制的專題。年的第十屆國(guó)際自控聯(lián)世界大會(huì)上,專題討論了預(yù)測(cè)控制及其應(yīng)用,被認(rèn)為是特別兩個(gè)專題討論之一。年,又組織了以預(yù)側(cè)控制為主題的“基于模型的過程控制,,工作討論會(huì)。在第十二屆大會(huì)上,針對(duì)復(fù)雜過程工業(yè)系統(tǒng)的控制,特別推薦了預(yù)測(cè)控制算法。關(guān)于預(yù)測(cè)控制及其應(yīng)用的文獻(xiàn)越來(lái)越多的出現(xiàn)在各種控制會(huì)議上。特別在過程控制界,已把預(yù)測(cè)控制作為當(dāng)前過程控制的發(fā)展方向之一。此外,包含有預(yù)測(cè)控制的多變量?jī)?yōu)化控制算法已在國(guó)外許多大公司得到應(yīng)用。在我國(guó),近幾十年來(lái)許多單位也開展了預(yù)測(cè)控制的研究,取得了不少新的成果,并在工業(yè)過程中獲得了初步成功的應(yīng)用。這些事實(shí)表明,預(yù)測(cè)控制已成為當(dāng)前控制理論界和工業(yè)控制界均十分關(guān)注的一個(gè)熱門課題。
由于預(yù)測(cè)控制對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的適應(yīng)性,它在工業(yè)過程和其它領(lǐng)域內(nèi)有著誘人的應(yīng)用前景。作為一種有前途的新型控制方法,預(yù)測(cè)控制在我國(guó)的深入研究和推廣應(yīng)用,必將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生顯著的推動(dòng)作用。
