一种基于模型预测控制的陈坛环境自适应调控系统及方法与流程

本技术涉及自适应调控，更具体地说，本技术涉及一种基于模型预测控制的陈坛环境自适应调控系统及方法。

背景技术：

1、自适应调控技术是根据受控对象运行状态和外部环境变化动态调整控制参数的重要控制技术，其能够结合环境监测结果对控制过程进行持续修正，使控制输出适应不同工况下的状态变化，在剁椒陈坛库环境管理过程中，温度和湿度会对剁椒陈化发酵过程产生影响，通过自适应调控技术对温湿度调节设备进行动态调节，可以使陈坛库内温湿度保持在适宜范围，为剁椒陈化发酵过程提供相对稳定的环境条件。

2、在现有技术中，陈坛库中的空气环境发生变化后，坛体表面、坛内剁椒物料及周围空气之间需要经历较长时间的热湿交换过程，因此温湿度调节设备的控制动作与坛体密集区域监测参数变化之间通常存在明显时滞，例如，增加冷量后，送风口附近空气温度可以较快下降，但受空气传递距离、坛体密集布置以及坛体热容量等因素影响，坛体密集区域的温度变化可能明显滞后，现有模型预测控制通常根据近期环境监测数据建立控制输入与环境响应之间的预测关系，当预测过程主要依据空气温湿度的短期变化时，容易高估或者低估当前控制动作在后续时域内尚未释放的调节作用，进一步滚动优化时，还可能在前一控制作用尚未充分显现的情况下再次增加控制量，使多个调节动作发生叠加，造成局部温湿度反复波动，因此，如何实现陈坛环境长时滞响应的有效预测，从而减少滚动调控过程中的过度调节现象，维持剁椒陈化发酵环境的稳定成为了业界面临的难题。

技术实现思路

1、本技术提供一种基于模型预测控制的陈坛环境自适应调控系统及方法，可实现在高并发场景下加快智能设备的协议转换速度。

2、第一方面，本技术提供一种基于模型预测控制的陈坛环境自适应调控方法，包括如下步骤：

3、获取剁椒陈坛库内送风口处空气温湿度的快响应监测序列和剁椒坛体密集区温湿度的慢响应监测序列；

4、根据所述快响应监测序列和所述慢响应监测序列在同一温湿度调节动作作用下的变化时序确定温湿度调节动作从送风口传递至剁椒坛体密集区的滞后时长；

5、通过所述滞后时长对剁椒陈坛库内温湿度调节设备的控制量进行滚动优化，生成温湿度调节设备的预测控制增量；

6、根据预先构建的剁椒陈化过程模型和所述预测控制增量判断上一温湿度调节动作在剁椒坛体密集区是否已形成温湿度响应拐点；

7、若未形成温湿度响应拐点，则抑制所述预测控制增量，保持上一温湿度调节动作不变，若已形成温湿度响应拐点，则执行所述预测控制增量。

8、在本实施例中，根据所述快响应监测序列和所述慢响应监测序列在同一温湿度调节动作作用下的变化时序确定温湿度调节动作从送风口传递至剁椒坛体密集区的滞后时长具体包括：

9、对所述快响应监测序列和所述慢响应监测序列分别进行同一温湿度调节动作作用下的传递事件检测，生成快响应事件链和慢响应事件链；

10、将所述快响应事件链中各事件与慢响应事件链进行事件类型和幅值衰减系数约束下的最大似然匹配，得到多个匹配事件对；

11、计算各匹配事件对中快响应事件与慢响应事件的时间差，形成时间差序列，进而根据所述时间差序列确定温湿度调节动作从送风口传递至剁椒坛体密集区的滞后时长。

12、在本实施例中，通过所述滞后时长对剁椒陈坛库内温湿度调节设备的控制量进行滚动优化，生成温湿度调节设备的预测控制增量具体包括：

13、根据所述滞后时长确定滞后预测窗口，并从慢响应监测序列中提取所述滞后预测窗口内的温湿度极大值序列和温湿度极小值序列；

14、对所述温湿度极大值序列和所述温湿度极小值序列分别进行样条插值，生成所述滞后预测窗口内温湿度波动的上包络线和下包络线；

15、基于所述滞后时长构建控制增量到包络面积收缩量的滞后响应映射矩阵，并结合所述上包络线和所述下包络线确定预测包络面积函数；

16、以所述预测包络面积函数在预测时域末端的面积值最小为优化目标，求解有限时域内温湿度调节设备的最优控制增量序列；

17、将所述最优控制增量序列中当前时刻对应的控制增量与慢响应监测序列的实时波动方向进行一致性校验，将校验通过后的控制增量作为温湿度调节设备的预测控制增量。

18、在本实施例中，基于所述滞后时长构建控制增量到包络面积收缩量的滞后响应映射矩阵，并结合所述上包络线和所述下包络线确定预测包络面积函数具体包括：

19、从所述上包络线和所述下包络线中提取包络间距序列，并按所述滞后时长对包络间距序列进行时移扩维，得到包络间距滞后特征集；

20、对所述包络间距滞后特征集进行稀疏脉冲响应分析，得到控制增量到包络面积收缩量的滞后响应映射矩阵；

21、将所述滞后响应映射矩阵作用于所述上包络线和所述下包络线，生成预测时域内的包络间距预测值，并对包络间距预测值进行积分，得到预测包络面积函数。

22、在本实施例中，以所述预测包络面积函数在预测时域末端的面积值最小为优化目标，求解有限时域内温湿度调节设备的最优控制增量序列具体包括：

23、以所述预测包络面积函数在预测时域末端的面积值最小为优化目标，构建有限时域内的约束优化模型；

24、对所述约束优化模型进行二次规划求解，得到有限时域内的最优控制增量序列。

25、在本实施例中，根据预先构建的剁椒陈化过程模型和所述预测控制增量判断上一温湿度调节动作在剁椒坛体密集区是否已形成温湿度响应拐点具体包括：

26、根据上一温湿度调节动作的触发时刻与控制量，利用所述剁椒陈化过程模型生成坛体密集区温湿度的理论响应曲线；

27、根据所述剁椒陈化过程模型计算所述预测控制增量在滞后时长内对坛体密集区温湿度的预估扰动曲线；

28、从慢响应监测序列中提取实际响应曲线，剔除所述理论响应曲线和所述预估扰动曲线的影响后，对剩余响应进行变化率过零检测，当出现反向变化且幅值超过预设阈值时，判定已形成温湿度响应拐点。

29、在本实施例中，根据所述剁椒陈化过程模型计算所述预测控制增量在滞后时长内对坛体密集区温湿度的预估扰动曲线具体包括：

30、根据所述剁椒陈化过程模型确定控制增量到坛体密集区温湿度变化的扰动响应算子；

31、根据所述预测控制增量确定在滞后时长内的等效扰动输入序列；

32、利用所述扰动响应算子对所述等效扰动输入序列进行卷积计算，并对卷积输出进行滑动平均平滑，得到所述预测控制增量在滞后时长内对坛体密集区温湿度的预估扰动曲线。

33、在本实施例中，若未形成温湿度响应拐点，则抑制所述预测控制增量，保持上一温湿度调节动作不变具体包括：

34、若未形成温湿度响应拐点，提取上一温湿度调节动作对应的控制量保持值；

35、对所述预测控制增量进行零增益处理，并将处理结果与所述控制量保持值叠加，得到待输出控制量；

36、对所述待输出控制量经限幅校验后输出至温湿度调节设备，并保持上一温湿度调节动作不变。

37、在本实施例中，所述温湿度调节设备表示对剁椒陈坛库内空气温湿度状态进行调节的制冷设备、通风设备、加湿设备和除湿设备中的至少一种。

38、第二方面，本技术提供一种基于模型预测控制的陈坛环境自适应调控系统，用于执行一种基于模型预测控制的陈坛环境自适应调控方法，所述陈坛环境自适应调控系统包括：

39、温湿序列获取模块，用于获取剁椒陈坛库内送风口处空气温湿度的快响应监测序列和剁椒坛体密集区温湿度的慢响应监测序列；

40、滞后时长识别模块，用于根据所述快响应监测序列和所述慢响应监测序列在同一温湿度调节动作作用下的变化时序确定温湿度调节动作从送风口传递至剁椒坛体密集区的滞后时长；

41、预测增量生成模块，用于通过所述滞后时长对剁椒陈坛库内温湿度调节设备的控制量进行滚动优化，生成温湿度调节设备的预测控制增量；

42、响应拐点判断模块，用于根据预先构建的剁椒陈化过程模型和所述预测控制增量判断上一温湿度调节动作在剁椒坛体密集区是否已形成温湿度响应拐点；

43、增量调控决策模块，用于若未形成温湿度响应拐点，则抑制所述预测控制增量，保持上一温湿度调节动作不变，若已形成温湿度响应拐点，则执行所述预测控制增量。

44、本技术公开的实施例提供的技术方案具有以下有益效果：

45、获取剁椒陈坛库内送风口处空气温湿度的快响应监测序列和剁椒坛体密集区温湿度的慢响应监测序列；根据所述快响应监测序列和所述慢响应监测序列在同一温湿度调节动作作用下的变化时序确定温湿度调节动作从送风口传递至剁椒坛体密集区的滞后时长；通过所述滞后时长对剁椒陈坛库内温湿度调节设备的控制量进行滚动优化，生成温湿度调节设备的预测控制增量；根据预先构建的剁椒陈化过程模型和所述预测控制增量判断上一温湿度调节动作在剁椒坛体密集区是否已形成温湿度响应拐点；若未形成温湿度响应拐点，则抑制所述预测控制增量，保持上一温湿度调节动作不变，若已形成温湿度响应拐点，则执行所述预测控制增量。

46、由此可见本技术中，若未形成温湿度响应拐点，则抑制所述预测控制增量，保持上一温湿度调节动作不变，若已形成温湿度响应拐点，则执行所述预测控制增量；其中，首先，通过分别获取剁椒陈坛库内送风口处空气温湿度的快响应监测序列和剁椒坛体密集区温湿度的慢响应监测序列，能够同步反映温湿度调节动作在近端区域和坛体密集区域中的响应差异，避免仅依据送风口附近空气温湿度的短期变化判断坛体密集区域的实际响应；其次，根据两类监测序列在同一温湿度调节动作作用下的变化时序得到温湿度调节动作从送风口传递至剁椒坛体密集区的滞后时长，使控制过程能够考虑热湿交换引起的响应延迟，降低对当前调节作用在后续时域内释放程度的高估或者低估；进一步地，通过所述滞后时长对温湿度调节设备的控制量进行滚动优化并生成预测控制增量，使控制量的更新节奏与坛体密集区的实际响应过程相匹配，减少前一温湿度调节动作尚未充分显现时再次追加控制量所产生的控制作用叠加；最后，通过剁椒陈化过程模型和预测控制增量判断上一温湿度调节动作是否已在剁椒坛体密集区形成温湿度响应拐点，并根据判断结果选择抑制或执行预测控制增量，使新的控制动作能够在上一调节作用达到相应响应阶段后再行介入，进而降低连续滚动调节引起的局部温湿度往复变化，使陈坛库内温湿度变化过程更加平缓，并为剁椒陈化发酵提供较为稳定的环境条件。

47、综上所述，本技术采用的技术方案可实现陈坛环境长时滞响应的有效预测，从而减少滚动调控过程中的过度调节现象，维持剁椒陈化发酵环境的稳定。