状态空间模型的双层结构预测控制算法

双层结构预测控制是指先进行设定值优化、再进行设定值跟踪的预测控制.在已有的双层结构动态矩阵控制的基础上,本文给出基于状态空间模型的双层结构预测控制算法.该算法基于干扰模型和新定义的开环预测值,给出了新的开环预测模块.该开环预测模块采用Kalman滤波方法得到操作变量、被控变量的开环动、稳态预测值.基于这些开环预测值,稳态目标计算模块的基本原理同双层结构动态矩阵控制,但是具体细节上遵循状态空间方法.动态控制模块基于稳态目标计算提供的操作变量、被控变量的稳态目标(设定值),采用二次规划算法计算控制作用.仿真算例证实了该算法的有效性.     

双层结构预测控制研究进展

现代工业大系统的优化控制采用递阶结构,其中以预测控制为代表的先进过程控制已经成为重要的一级.目前,主流的工业预测控制技术均采用双层结构,即包含稳态优化层和动态控制层.双层结构预测控制技术可以有效解决复杂工业过程常见的多目标优化、多变量控制的难点问题.本文简要总结了双层结构预测控制的算法,并从控制输入与被控输出稳态关系入手分析了多变量预测控制稳态解的相容性和唯一性,说明了稳态优化的重要性.针对双层结构预测控制与区间预测控制的性能比较、稳态模型的奇异性以及闭环系统动态特性等提出了一些见解,并指出了需要重点研究的主题.     

离线优化在线查表的双层结构预测控制

双层结构预测控制包括稳态优化和动态控制,计算复杂度较大,难以在实时性要求较高或者是主控制器计算能力较弱的场合应用.本文阐述了一种离线计算在线查表的稳态优化方法和详细的技术实施方案.首先采用枚举方式离线计算稳态优化值,然后通过在线查表得到实时优化值.当在线查表不可行时,通过查找距离该查表点最近的多个可查表点,以距离作为加权系数,近似计算最优稳态目标值.最后,通过性能分析和仿真实验证明了本文提出的该方法有效的降低了计算复杂度,减少了计算时间.     

ARMAX模型的递推广义预测控制算法

本文提出一种基于ARMAX模型的递推广义预测控制算法,仿真研究表明这种算法对于系统阶和时滞变化等未建模动态是稳健的,本算法计算量小于Clarkc的GPC算法,并适用于GPC控制律中矩阵奇异的情况。     

加权模型预测控制（WMPC）

针对参数有界系统，将加权模型引入预测控制算法，改进了原算法对模型处理的不足，从而增强了控制系统的鲁棒性，改善了控制性能。仿真结果表明了该方法的有效性。     

一种时变加权系数广义预测控制算法鲁棒性分析

针对标准广义预测控制算法,本文提出一种时变加权系数的广义预测控制性能指标,和标准算法相比,减小计算量并获得更好的性能指标.同时,文中讨论了两种典型的系统不确定性,并针对非结构型系统不确定性讨论该文算法的鲁棒性,给出了鲁棒控制域.通过对受控自回归积分滑动平均模型的仿真实例表明选择不同时变系数β和预测时域N,控制量加权系数λ,对系统性能有很大的影响.因此,该算法为现场操作人员的参数选择提供一个衡量的依据.最后,仿真结果验证了算法的有效性.     

双层结构PID控制器性能评估研究

针对工业过程常规PID控制回路普遍存在性能退化的现状,提出了1种基于双层结构的PID控制器性能评估方法,该方法可综合地评估PID控制器的性能.其中第1层次的评估只需最少量的过程信息,即采用最小方差基准和脉冲响应曲线方法对PID控制器的随机性性能和确定性性能两方面给出初步的评估.第2层次是基于PID结构的控制器性能评估,这个层次的评估更符合生产实际,但需要用到更多的过程知识和信息.最后将所提出的方法分别应用于仿真过程和工业实际过程.     

一种基于修正系统预测输出的自适应控制算法

本文利用预测误差的历史数据修正系统的预测输出,以抑制模型失配的影响.给出了修正的最小方差调节器和广义最小方差控制器的算法,并分析了所给修正算法能增强系统鲁棒性的机理.仿真结果表明了本算法的有效性.     

基于模糊模型的多变量预测控制算法

将模糊模型应用于模型预测控制，提出一种可用于非线性过程控制的模糊模型预测控制算法（ＦＭＰＣ）。模糊模型与单纯形调优的非线性规划方法相结合可获得优化的控制律。仿真结果表明，ＦＭＰＣ可获得良好的控制效果，具有较高的应用价值。     

工业大系统双层结构预测控制的集中优化与分散控制策略

为降低工业大系统模型预测控制(Model predictive control,MPC)在线计算复杂度,同时保证系统的全局优化性能,提出一种集中优化、分散控制的双层结构预测控制策略.在稳态目标计算层(Steady-state target calculation, SSTC),基于全局过程模型对系统进行集中优化,将优化结果作为设定值传递给动态控制层;在动态控制层,将大系统划分为若干个子系统,每个子系统分别由基于各自子过程模型的模型预测控制进行控制,为减少各子系统之间的相互干扰,在各个子系统之间添加前馈控制器对扰动进行补偿,提高系统的总体动态控制性能.该策略的优点在于能确保系统全局最优性的同时降低了在线计算量,提高了工业大系统双层结构预测控制方法的实时性.仿真实例验证该方法的有效性.     

双层预测控制中基于操作变量增量的多优先级稳态目标计算

本文给出一种双层结构预测控制(MPC)中多优先级稳态目标计算(SSTC)的描述方法.在可行性阶段,被控变量(CV)和外部目标(ET)的软约束以及操作变量(MV)的硬约束被统一表述为关于MV增量的约束,将软约束(包括ET的期望上下界、CV的操作上下界、以及ET的跟踪)进行放松,保证放松以后MV增量约束集的相容性.在经济优化阶段,在MV增量约束集中寻找经济最优的MV增量值.该算法在已有文献的基础上,对ET/CV的等式/不等式约束统一处理.仿真算例证实了该算法的有效性.     

分布式预测控制算法的性能分析

分布式求解策略是为了降低大规模预测控制系统实施的计算量和计算复杂性而提出的一种有效算法，在算法收敛的条件下，分析了分布式求解和集中求解两种方法在单步时域上的性能偏差，给出了标称情况下分布式预测控制系统名义稳定的充分条件，为更好地理解所提出的分布式预测控制算法和算法的实施提供了理论依据。     

基于线性二次型高斯基准的多变量预测控制技术经济性能评估

由于受控过程参数的漂移及缺乏维护,令采用的控制器性能逐渐降低,需要做经济性能评估,以确保其最佳运行状态.因为目前最小方差评估算法没有考虑控制器的约束条件,对此我们采用线性二次型高斯(linearquadratic Gaussian,LQG)基准的模型预测控制(model predictive control,MPC)双层优化控制结构,将控制和输出的加权值引入上层经济性能指标,通过求解LQG问题获取控制与输出方差关系的离散点集,进一步拟合Pareto最优曲面方程,建立优化命题并求解最优经济指标及设定值.对延迟焦化加热炉的多变量MPC控制进行了性能评估及分析,证明该方法可以改进控制器设计,提高经济效益.     

电流型变流器的改进模型预测控制

传统的模型预测控制(MPC)采用脉冲响应的非参数模型作为系统的预测控制模型,计算量大,很难直接应用于实时控制系统.本文提出将传统的MPC进行改进,应用到电流型变流器(CSC)功率因数校正系统中.改进的MPC根据CSC控制量与被控制量的传递函数得出CSC的一阶差分方程作为预测控制模型,同时保留传统MPC反馈校正、动态优化等优点.将此改进的MPC与传统的PID控制进行对比研究,结果表明:改进的MPC用于电流型变流器,比传统的PID控制具有更好的鲁棒性和更快速的动态响应特性.     

Zone model predictive control for pressure management of water distribution network

In the water distribution network (WDN), although the water demand of the node is changing constantly, the water quantity and water pressure of the node need to be met at each moment. To realize energy saving and consumption reduction, it is proposed to control the nodal water head of WDN in an appropriate narrow range. The frequent large fluctuation of the water demand, which may lead the water pressure exceed the expected range, increases the difficulty of the zone control. To realize optimized WND control, a novel zone predictive control is proposed, where two switching cases are considered. The switching condition is whether there are feasible solutions to keep the pressure within the expected region over the prediction horizon. When the condition is satisfied, the controller minimizes the variation of inputs with constraints of pressure range for ensuring the tank level staying within the expected zone and obtaining optimal economic cost. When the current pressure is out of the expected region or the condition is not satisfied due to the large variation of water demand, a reference trajectory of outputs is introduced, which is combined with the inputs as an optimization variable, and the constraints of expected zone are moved from the output to the introduced reference trajectory. Through minimizing the distance between reference trajectory and output, the controller will keep the tank level from deviating too far from the expected zone and will drive the tank level rapidly into the expected zone once the tank level exceeds the expected range. An application of the proposed zone MPC to WDN in Shinan District of Shanghai is given to illustrate its effectiveness.     

应用模型预测控制的混合动力汽车模式切换动态协调控制

利用传统协调控制策略或模型预测控制(MPC)方法能够解决离合器模式切换的平顺性,但其改善效果不显著,且缺乏深入的细化研究.因此,为了改进混合动力汽车有离合器结合的模式切换过程中的平顺性,本文基于MPC制定有离合器模式切换过程的动态协调控制策略.在对混合动力系统有离合器模式切换模型进行简化的基础上,开展MPC在模式切换动态协调控制过程的原理描述,以减小有离合器模式间切换的冲击度进行基于MPC动态协调控制策略设计,并对不同权重下的冲击度进行了详细的对比.通过实验验证,其结果表明采用MPC的模式切换协调控制最大冲击度从26.3 m/s³下降至9.26 m/s³,降低了64.8%,明显的抑制了模式切换过程中的冲击度,有效的改善了模式切换的平顺性.     

积分过程预测控制的稳态分析及反馈校正

多变量积分过程的控制,一直是预测控制理论研究与应用过程中的难点问题.现有的研究成果更多的关注于算法的实现上,而很少关注理论依据.本文从积分过程的控制输入平衡关系出发,利用线性代数方程组解的相容性原理,得到了一个适用于判断多变量积分过程设定点是否可达的判据,可以作为算法能否实现多变量积分过程无静差控制的理论依据.同时分析了传统算法无法在存在模型失配情况下对积分过程进行优化与控制的原因,利用补偿因子重新设计反馈校正环节,使改进后的算法能够实现存在模型失配过程的优化与控制,并通过仿真验证了本文提出的结论.     

Distributed model predictive control of constrained weakly coupled nonlinear systems

This paper proposes a distributed model predictive control (MPC) strategy for a large-scale system that consists of several dynamically coupled nonlinear systems with decoupled control constraints and disturbances. In the proposed strategy, all subsystems compute their control signals by solving local optimizations constrained by their nominal decoupled dynamics. The dynamic couplings and the disturbances are accommodated through new robustness constraints in the local optimizations. The paper derives relationships among, and designs procedures for, the parameters involved in the proposed distributed MPC strategy based on the analysis of the recursive feasibility and the robust stability of the overall system. The paper shows that, for a given bound on the disturbances, the recursive feasibility is guaranteed if the sampling interval is properly chosen. Moreover, it establishes sufficient conditions for the overall system state to converge to a robust positively invariant set. The paper illustrates the effectiveness of the proposed distributed MPC strategy by applying it to three coupled cart-(nonlinear) spring–damper subsystems.     

输入状态稳定的鲁棒预测控制

以有界干扰非线性系统为研究对象,设计一种基于近似可达集的鲁棒预测控制方法。该方法以鲁棒控制不变集作为终端约束集,采用一种简单的三次多项式逼近预测控制的待优化控制律,通过在线优化求解三次多项式的各项系数,并从理论上证明了所设计的鲁棒预测控制律可以使系统输入状态稳定。最后通过仿真实例验证了所提出的鲁棒预测控制方法的可行性和有效性。