课件--模型预测控制.ppt

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第六章第六章模型预测控制模型预测控制内容要点内容要点1预测控制的发展预测控制的发展2预测控制的基本原理预测控制的基本原理3模型算法控制模型算法控制（MAC）4动态矩阵控制动态矩阵控制（DMC）5内部模型控制内部模型控制（IMC）6状态反馈预测控制状态反馈预测控制（SFPC）第一节第一节预测控制的发展预测控制的发展ll现代控制理论的发展与特点现代控制理论的发展与特点现代控制理论的发展与特点现代控制理论的发展与特点ll特点特点特点特点ll状态空间分析法状态空间分析法状态空间分析法状态空间分析法ll最优性能指标设计最优性能指标设计最优性能指标设计最优性能指标设计ll应用应用应用应用ll航天、航空等军事领域航天、航空等军事领域航天、航空等军事领域航天、航空等军事领域ll要求要求要求要求ll精确的数学模型精确的数学模型精确的数学模型精确的数学模型第一节第一节预测控制的发展预测控制的发展ll工业过程的特点工业过程的特点工业过程的特点工业过程的特点ll多变量高维复杂系统难以建立多变量高维复杂系统难以建立多变量高维复杂系统难以建立多变量高维复杂系统难以建立精确的数学模型精确的数学模型精确的数学模型精确的数学模型ll工业过程的结构、参数以及环境具有工业过程的结构、参数以及环境具有工业过程的结构、参数以及环境具有工业过程的结构、参数以及环境具有不确定性、不确定性、不确定性、不确定性、时变性、非线性时变性、非线性时变性、非线性时变性、非线性，最优控制难以实现，最优控制难以实现，最优控制难以实现，最优控制难以实现ll预测控制的产生预测控制的产生预测控制的产生预测控制的产生ll基于模型的控制，但对模型的要求不高基于模型的控制，但对模型的要求不高基于模型的控制，但对模型的要求不高基于模型的控制，但对模型的要求不高ll采用滚动优化策略，以局部优化取代全局最优采用滚动优化策略，以局部优化取代全局最优采用滚动优化策略，以局部优化取代全局最优采用滚动优化策略，以局部优化取代全局最优ll利用实测信息反馈校正，增强控制的鲁棒性利用实测信息反馈校正，增强控制的鲁棒性利用实测信息反馈校正，增强控制的鲁棒性利用实测信息反馈校正，增强控制的鲁棒性第一节第一节预测控制的发展预测控制的发展19781978年，年，年，年，RichaletRichalet、MehraMehra提出了基于脉冲响应的模型预提出了基于脉冲响应的模型预提出了基于脉冲响应的模型预提出了基于脉冲响应的模型预测启发控制测启发控制测启发控制测启发控制（ModelPredictiveHeuristicControl（ModelPredictiveHeuristicControl，MPHC）MPHC），后转化为模型算法控制，后转化为模型算法控制，后转化为模型算法控制，后转化为模型算法控制（ModelAlgorithmic（ModelAlgorithmicControlControl，MAC）MAC）19791979年，年，年，年，CutlerCutler提出了基于阶跃响应的动态矩阵控制提出了基于阶跃响应的动态矩阵控制提出了基于阶跃响应的动态矩阵控制提出了基于阶跃响应的动态矩阵控制（DynamicMatrixControl（DynamicMatrixControl，DMC）DMC）19871987年，年，年，年，ClarkeClarke提出了基于时间序列模型和在线辨识的提出了基于时间序列模型和在线辨识的提出了基于时间序列模型和在线辨识的提出了基于时间序列模型和在线辨识的广广广广义预测控制义预测控制义预测控制义预测控制（GeneralizedPredictiveControl（GeneralizedPredictiveControl，GPC）GPC）19881988年，袁璞提出了基于离散状态空间模型的状态反馈预年，袁璞提出了基于离散状态空间模型的状态反馈预年，袁璞提出了基于离散状态空间模型的状态反馈预年，袁璞提出了基于离散状态空间模型的状态反馈预测控制测控制测控制测控制（StateFeedbackPredictiveControl（StateFeedbackPredictiveControl，SFPC）SFPC）第一节第一节预测控制的发展预测控制的发展预测控制有关公司及产品预测控制有关公司及产品lSetPoint:

IDCOMlDMC:

DMClAspenTech:

SetPointInc:

SMC-IDCOMDMCCorp:

DMCpluslProfimatics:

PCTlHoneywell:

Profimatics:

RMPCTlAdersa（法法）:

HIECONlInvensys:

PredictiveControlLtd:

ConnoisseurlDOT（英英）:

STAR第一节第一节预测控制的发展预测控制的发展预测控制的特点预测控制的特点预测控制的特点预测控制的特点ll建模方便，建模方便，建模方便，建模方便，对模型要求不高对模型要求不高对模型要求不高对模型要求不高ll滚动的优化策略，具有较好的动态控制效果滚动的优化策略，具有较好的动态控制效果滚动的优化策略，具有较好的动态控制效果滚动的优化策略，具有较好的动态控制效果ll简单实用的反馈校正，有利于提高控制系统的简单实用的反馈校正，有利于提高控制系统的简单实用的反馈校正，有利于提高控制系统的简单实用的反馈校正，有利于提高控制系统的鲁棒性鲁棒性鲁棒性鲁棒性ll不增加理论困难，可推广到有约束条件、大纯不增加理论困难，可推广到有约束条件、大纯不增加理论困难，可推广到有约束条件、大纯不增加理论困难，可推广到有约束条件、大纯滞后、非最小相位及非线性等过程滞后、非最小相位及非线性等过程滞后、非最小相位及非线性等过程滞后、非最小相位及非线性等过程ll是一种是一种是一种是一种计算机优化控制算法计算机优化控制算法计算机优化控制算法计算机优化控制算法第二节第二节预测控制的基本原理预测控制的基本原理模型预测控制与模型预测控制与模型预测控制与模型预测控制与PIDPID控制控制控制控制llPIDPID控制：

根据过程当前的和过去的输出测量值控制：

根据过程当前的和过去的输出测量值控制：

根据过程当前的和过去的输出测量值控制：

根据过程当前的和过去的输出测量值和给定值的偏差来确定当前的控制输入和给定值的偏差来确定当前的控制输入和给定值的偏差来确定当前的控制输入和给定值的偏差来确定当前的控制输入ll预测控制：

不仅利用当前的和过去的偏差值，预测控制：

不仅利用当前的和过去的偏差值，预测控制：

不仅利用当前的和过去的偏差值，预测控制：

不仅利用当前的和过去的偏差值，而且还利用预测模型来预测过程而且还利用预测模型来预测过程而且还利用预测模型来预测过程而且还利用预测模型来预测过程未来的偏差值未来的偏差值未来的偏差值未来的偏差值。

以滚动优化确定当前的最优控制策略，使未来以滚动优化确定当前的最优控制策略，使未来以滚动优化确定当前的最优控制策略，使未来以滚动优化确定当前的最优控制策略，使未来一段时间内被控变量与期望值偏差最小一段时间内被控变量与期望值偏差最小一段时间内被控变量与期望值偏差最小一段时间内被控变量与期望值偏差最小ll从基本思想看，预测控制优于从基本思想看，预测控制优于从基本思想看，预测控制优于从基本思想看，预测控制优于PIDPID控制控制控制控制第二节第二节预测控制的基本原理预测控制的基本原理三要素：

预测模型三要素：

预测模型三要素：

预测模型三要素：

预测模型滚动优化滚动优化滚动优化滚动优化反馈校正反馈校正反馈校正反馈校正第二节第二节预测控制的基本原理预测控制的基本原理一一.预测模型（内部模型）预测模型（内部模型）ll预测模型的功能预测模型的功能预测模型的功能预测模型的功能根据被控对象的历史信息根据被控对象的历史信息根据被控对象的历史信息根据被控对象的历史信息u（k-j）,y（k-j）|j1和未来输入和未来输入和未来输入和未来输入u（k+j-1）|j=1,m，预，预，预，预测系统未来响应测系统未来响应测系统未来响应测系统未来响应y（k+j）|j=1,pll预测模型形式预测模型形式预测模型形式预测模型形式ll参数模型：

如微分方程、差分方程参数模型：

如微分方程、差分方程参数模型：

如微分方程、差分方程参数模型：

如微分方程、差分方程ll非参数模型：

如脉冲响应、阶跃响应非参数模型：

如脉冲响应、阶跃响应非参数模型：

如脉冲响应、阶跃响应非参数模型：

如脉冲响应、阶跃响应第二节第二节预测控制的基本原理预测控制的基本原理一一.预测模型（内部模型）预测模型（内部模型）ll基于模型的预测示意图基于模型的预测示意图基于模型的预测示意图基于模型的预测示意图2yu143未来未来过去过去k时刻时刻1控制策略控制策略3对应于控制策略对应于控制策略的输出的输出2控制策略控制策略4对应于控制策略对应于控制策略的输出的输出第二节第二节预测控制的基本原理预测控制的基本原理二二.滚动优化（在线优化）滚动优化（在线优化）ll最优控制最优控制最优控制最优控制通过使某一性能指标通过使某一性能指标通过使某一性能指标通过使某一性能指标最优化最优化最优化最优化来确定其未来的控制作用的来确定其未来的控制作用的来确定其未来的控制作用的来确定其未来的控制作用的ll局部优化局部优化局部优化局部优化不是采用一个不变的全局最优目标，而是采用不是采用一个不变的全局最优目标，而是采用不是采用一个不变的全局最优目标，而是采用不是采用一个不变的全局最优目标，而是采用滚动式的滚动式的滚动式的滚动式的有限时域优化策略有限时域优化策略有限时域优化策略有限时域优化策略。

在每一采样时刻，根据该时刻的优。

在每一采样时刻，根据该时刻的优。

在每一采样时刻，根据该时刻的优。

在每一采样时刻，根据该时刻的优化性能指标，求解该时刻起化性能指标，求解该时刻起化性能指标，求解该时刻起化性能指标，求解该时刻起有限时段的最优控制率有限时段的最优控制率有限时段的最优控制率有限时段的最优控制率ll在线滚动在线滚动在线滚动在线滚动计算得到的控制作用序列也计算得到的控制作用序列也计算得到的控制作用序列也计算得到的控制作用序列也只有当前值是实际执行的只有当前值是实际执行的只有当前值是实际执行的只有当前值是实际执行的，在下一个采样时刻又重新求取最优控制率在下一个采样时刻又重新求取最优控制率在下一个采样时刻又重新求取最优控制率在下一个采样时刻又重新求取最优控制率第二节第二节预测控制的基本原理预测控制的基本原理二二.滚动优化（在线优化）滚动优化（在线优化）ll滚动优化示意图滚动优化示意图滚动优化示意图滚动优化示意图uuyryryk时刻优化时刻优化213yk+1时刻优化时刻优化213k+1kt/T1参考轨迹参考轨迹yr（虚线虚线）2最优预测输出最优预测输出y（实线实线）3最优控制作用最优控制作用u第二节第二节预测控制的基本原理预测控制的基本原理三三.反馈校正（误差校正）反馈校正（误差校正）ll模型失配模型失配模型失配模型失配实际被控过程存在实际被控过程存在实际被控过程存在实际被控过程存在非线性、时变性、不确定性非线性、时变性、不确定性非线性、时变性、不确定性非线性、时变性、不确定性等原因，等原因，等原因，等原因，使基于模型的预测不可能准确地与实际被控过程相符使基于模型的预测不可能准确地与实际被控过程相符使基于模型的预测不可能准确地与实际被控过程相符使基于模型的预测不可能准确地与实际被控过程相符ll反馈校正反馈校正反馈校正反馈校正在每个采样时刻，都要通过在每个采样时刻，都要通过在每个采样时刻，都要通过在每个采样时刻，都要通过实际测到的输出信息实际测到的输出信息实际测到的输出信息实际测到的输出信息对对对对基于基于基于基于模型的预测输出模型的预测输出模型的预测输出模型的预测输出进行修正，然后再进行新的优化进行修正，然后再进行新的优化进行修正，然后