自來水在當今經濟和生活中起著的重要作用,是經濟的命脈,是保障人民生活和發展生產建設不可缺少的物質基礎。但是,由于水源遭受的污染日益嚴重,給水廠常規工藝處理和控制帶來一定的困難,水質情況不容樂觀。歐共體、美國等國和世界衛生組織規定的檢測項目比我們的多,水質指標比我們嚴,而且他們實際執行的是比指標規定更嚴格的指導值或推薦值,所以,我國供水水質與國外的相比存在一定的差距,還不能很好地適應發展的需要。隨著工業的發展和人民生活水平的提高,對水質的要求也越來越高。年,國家新頒布的《生活飲用水衛生規范》規定,出廠水濁度指標小于原來指標為。為適應新要求新形勢,必須采取相應有效的措施。《城市供水行業年技術進步發展規劃》指出,根據供水企業的特點為實現水質目標,使凈水過程都處于受控狀態,提出凈水過程全面質量控制,在保證安全供水,供出優質水的前提下,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的好壞,結合當前我國實際情況,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實的,應該通過技術改造和完善管理措施,充分利用現有資源,在常規處理和控制技術上多想點辦法。有資料表明水的濁度與有機物關系十分密切,將水中濁度降低到,則有機物可減少,如果加強常規處理,降低出水濁度,并且結合合理地加氯,不僅可以有效地將出廠水中揮發性有機物降低,對半揮發性有機物也能降低,衛生毒理學方面試驗致突變活性下降,致溫血動物細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物的含量,降低有機物對人體的危害,又有利于滿足一些用戶如醫療,精密加工制造等行業對特殊水質的要求。近年來,隨著計算機技術的發展,給水工程中的許多工藝都實現了智能控制。江西洪城水業集團朝陽水廠的投藥系統經過改造實現了自動化。其自動投藥系統由投藥量計算和投藥量執行兩部分組成,投藥量計算部分又分為兩個子系統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濾前水濁度對投藥量作微調調節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算部分,與濁度設定值比較得出濁度偏差量,從而通過反饋比例控制調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節作為微調,其反饋性能不是很好。雖然系統采用濾前水濁度作為控制目標,在一定程度上把控制目標提前,但實際上仍然存在較大的滯后約多分鐘。因此,為了減小系統的大滯后性帶來的不利影響,現將預測控制應用到自動投藥系統中。
預測控制概論
20世紀年代后期,在美、法等國的工業過程領域內出現了一類新型的計算機控制算法,如動態矩陣控制、模型算法控制。這類算法以對象的階躍或脈沖響應為模型,采用滾動推移的方式在線地對過程實現優化控制,在復雜的工業過程中顯現出良好的控制性能。年,形等首次詳細闡述了這類算法產生的動因、機理及其在工業過程中的應用效果。從此,預測控制作為這類新型控制算法的統一名稱,便開始出現在控制領域中。
預測控制的產生,并不是理論發展的需要,而首先是工業實踐向控制提出的挑戰。眾所周知,世紀年代初形成的現代控制理論,在航天、航空等領域都取得了輝煌的成果。利用狀態分析法分析和設計系統,提高了人們對被控對象的洞察能力,提供了在更高層次上設計控制系統的手段。特別是,立足于最優性能指標的設計理論和方法已經趨于成熟,這對于在工業過程中追求更高控制質量和經濟效益的控制工程師來說,無疑具有極大的吸引力。然而,人們不久就發現,在完美的控制理論與實踐之間還有巨大的鴻溝。這主要表現在以下幾個方面：
（1）現代控制理論的基點是對象精確的數學模型,而在工業過程中所涉及的對象往往是多輸入、多輸出的高維復雜系統,其數學模型很難確立,即使建立了模型,從工程實用的角度來說,往往需要簡化,從而很難保證得到對象精確的模型。
（2）工業對象的結構、參數、環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控制在實際上往往不能保證最優,有時甚至會引起控制品質的嚴重下降。在工業環境中,人們更關注的是控制系統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性。
（3）工業控制中必須考慮控制手段的經濟性,對工業控制計算機的要求不能太高。因此,控制算法必須簡易以滿足實時性的要求。而現代控制理論的許多算法往往過于復雜,難以用低性能的計算機實現。
這些來自實際的原因,阻礙了現代控制理論在復雜工業過程中的有效應用,也向控制理論提出了新的挑戰。為了克服理論與應用之間的不協調,從世紀年代以來,除了加強對系統辨識、模型簡化、自適應控制、魯棒控制等的研究外,人們開始打破傳統方法的約束,試圖面對工業過程的特點,尋找各種對模型要求低、控制綜合質量好、在線計算方便的優化控制新算法。在此期間,數字計算機技術的飛速發展,也為新算法的產生提供了物質基礎。預測控制就是在這種背景下發展起來的一類新型計算機優化控制算法。最早產生于工業過程的預測控制算法,有形、等提出的建立在脈沖響應基礎上的模型預測啟發控制。,簡稱,或稱,提出的建立在階躍響應基礎上的控制。由于這類響應易于從工業現場直接獲得,并不要求對模型的結構有先驗知識,所以不必通過復雜的辨識過程便可設計控制系統。這些預測算法汲取了現代理論控制的優化思想,但用不斷的在線有限優化,即所謂滾動優化,取代了傳統的最優控制。由于在優化過程中利用實測信息不斷進行反饋校正,所以在一定程度上克服了不確定性的影響,增強了控制的魯棒性。此外,這些算法的在線計算比較容易。這些特點使它們很適合于工業控制的實際要求。世紀年代后期,模型算法控制和動態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裝置上獲得了成功的應用,從而引起了工業控制界的廣泛興趣。此后,基于對象脈沖或階躍響應的
各種預測控制算法相繼出現,有些算法已形成了商品化軟件包,在石油、化工、電力等領域的過程控制中取得了明顯的經濟效益。
除了直接來自工業控制的以對象非參數模型為基礎的預測控制算法外,還出現了另一類算法。世紀年代初期,人們在自適應控制的研究中發現,為了克服最小方差控制的弱點,有必要汲取預測控制中的多步預測優化策略,這樣可以大大增強算法的適用性和魯棒性,因此出現了基于辨識模型并帶有自校正的預測控制算法,如擴展時域預測自適應控制,廣義預測控制等。此外等年在研究一類新型控制結構一內模控制咖,簡稱時,發現預測控制算法與這類控制結構有著密切的聯系,從而從結構的角度對預測控制作了更深入的研究。這些研究和應用,有力的推動了預測控制的進一步展現在我們所說的預測控制,就包括了上述來自工業控制、自適應控制及內模控制等多方面的研究成果。它們統稱為模型預測控制,或基于模型的控制其應用范圍也己超過了過程控制領域,而應用到機器人、飛行器、網絡系統等更廣泛的領域內。近年來,國內外對預測控制的研究和應用日趨廣泛。從年起,每年的美國控制年會上都有關于預測控制的專題。年的第十屆國際自控聯世界大會上,專題討論了預測控制及其應用,被認為是特別兩個專題討論之一。年,又組織了以預側控制為主題的“基于模型的過程控制,,工作討論會。在第十二屆大會上,針對復雜過程工業系統的控制,特別推薦了預測控制算法。關于預測控制及其應用的文獻越來越多的出現在各種控制會議上。特別在過程控制界,已把預測控制作為當前過程控制的發展方向之一。此外,包含有預測控制的多變量優化控制算法已在國外許多大公司得到應用。在我國,近幾十年來許多單位也開展了預測控制的研究,取得了不少新的成果,并在工業過程中獲得了初步成功的應用。這些事實表明,預測控制已成為當前控制理論界和工業控制界均十分關注的一個熱門課題。
由于預測控制對于復雜系統的適應性,它在工業過程和其它領域內有著誘人的應用前景。作為一種有前途的新型控制方法,預測控制在我國的深入研究和推廣應用,必將對國民經濟的發展產生顯著的推動作用。
