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.     

双层结构模型预测控制算法性能分析

双层结构模型预测控制是在常规模型预测控制的基础上集成了稳态目标计算层,所增加稳态目标计算层通过对给定外部目标进行调节或执行独立经济优化为底层动态控制提供设定值.本文着重于分析增加稳态目标计算层对常规模型预测控制策略在控制性能、经济性能、及鲁棒性方面的影响.阐明稳态目标计算是在动态不确定性下的最优决策过程,可实时考虑当前工况环境给出最佳设定值,使动态层控制量的计算更加合理,并可保证在动态控制层实现无静差控制;稳态目标计算层可利用包含目标跟踪和经济优化的性能指标,在保证跟踪控制要求的同时利用操作自由度进行经济性优化,有助于提高系统经济性能,此外由于操作自由度增加使得系统对于特定方向的扰动和通道失配具有更强的鲁棒性.最后通过实验仿真验证了所做分析的正确性.     

双层结构模型预测控制稳态优化层QP与LP求解模态分析

为解决双层结构预测控制在工程应用中存在的通用化需求及参数配置问题,针对稳态优化层研究两阶段求解策略的标准化过程,形成一系列线性规划(LP)和二次规划(QP)问题;提出目标函数含绝对值及数值截断误差问题的解决策略;针对所形成的LP及QP问题,从几何关系及代数关系两方面分析了解其特性,并分析了模型失配对LP及QP解的影响....     

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.     

基于目标跟踪的双层结构工业预测控制

针对基于二次规划的稳态目标跟踪问题,给出一种统一的处理方法.该方法不仅可以通过加权协调各个目标的跟踪,还可通过惩罚跟踪偏差体现对输出目标跟踪的偏重.分析该方法的可行性,得到了同时适合于多优先级稳态目标优化的无静差控制的结论.仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

稳定的非线性系统广义预测控制

针对广义预测控制(GPC)算法稳定性分析困难,对参数未知非线性系统提出一种稳定广义预测控制(DGPC)方法。该方法首先将非线性系统转换为时变线性系统,然后利用三次样条基函数逼近时变系统中的系数,通过带时变遗忘因子的递推最小二乘算法辨识系数获得对象模型。基于模型通过性能指标中的前馈增益设计来保证控制系统稳定,仿真结果验证了该方法的有效性。     

串联系统的多前馈-反馈广义预测控制

为了充分利用对象的可知信息以实现串联系统的最优控制,提出了串联系统的多前馈-反馈广义预测控制算法,该算法把系统的可知外部扰动作为系统的多输入变量,把可测量的中间变量作为系统的多输出变量,运用多变量广义预测控制的思想给出了算法的控制结构。实现了前馈控制与反馈控制的有机结合,仿真结果表明,该算法能极大地改善串联系统的抗干扰性和鲁棒性。     

针铁矿法沉铁过程双层结构优化控制

针铁矿沉铁过程是锌冶炼过程中一个非常重要的环节,其中最重要的是控制氧气添加量,因此本文提出一种针铁矿沉铁过程双层结构优化控制方法.上层定义氧气利用率衡量理论消耗量与实际添加量的差别,以过程氧气利用率最高为目标优化设定级联反应器出口二价铁离子浓度下降梯度,下层以过程氧气消耗最少和出口离子浓度与上层设定值误差最小为优化目标,过程动态模型和工艺条件为约束,求解构造的非线性优化控制问题得到各反应器最优氧气添加速率.为减少不确定性干扰对系统的影响,采用一种模型参数自适应校正的方法对模型参数进行校正保证优化控制器的性能.最后根据过程离子浓度采样值计算过程实际氧气利用率作为上层优化参数重更新反应器出口二价铁离子浓度最优设定值.由于下层优化问题约束多且约束多呈非线性,采用Legendre伪谱法求解下层优化问题.仿真结果表明,所提出的双层结构优化控制方法能实现过程准确控制,减少过程氧气消耗.     

模型预测前馈控制

本文对传统的前馈加反馈控制器进行了深入的分析,在此基础上设计了一种使用模糊预测控制方法的新型前馈控制器,提出了反馈控制器和前馈控制器分离设计的构想。     

离散时滞关联大系统的分散容错控制

研究了离散时滞关联大系统的容错控制问题,提出一种对执行器失效故障具有完整性的分散容错控制器设计方法,并给出了设计步骤。最后,用一个设计示例及其仿真结果验证了这种方法的有效性。     

不确定性大系统的分散变结构自适应控制

提出一种适用于存在变化的子系统关联、系统参数摄动和外界干扰的不确定性线性大系统的分散变结构自适应控制方法。在控制律中引入一种对系统不确定扰动与关联的界的简单自适应算法，增强了控制系统对不可知系统不确定扰动的鲁棒性。所提出的控制方法具有较强的工程实用性。     

不确定线性内互联大系统的分散鲁棒H∞控制

讨论含有界不确定性的线性内互联大系统,通过分散状态反馈和分散动态输出反馈的鲁棒Ｈ∞控制问题,首先给出一个重要引理,然后基于有界实引理分别导出放动态输出反馈的分散鲁棒Ｈ∞控制问题有解的充分必要条件,该条件及其问题的求解等价地转化成一个线性矩阵不等式和双线性矩阵不等式的求解。     

非线性不确定大系统的分散滑动模控制

本文研究一类非线性不确定大系统的分散滑动模控制问题．首先给出了使滑动模具有良好动态品质的分散切换流形的设计方法；然后给出了一种基于不确定因素已知变化范围的分散滑动模控制器设计方法，该方法只需对各孤立子系统进行降阶滑动模的极点配置及求解降阶Ｌｙａｐｕｎｏｖ矩阵方程即可；最后以一具体例子说明其设计过程。     

时滞关联大系统的分散变结构自适应控制

针对一类满足匹配条件的不确定性时滞关联大系统,提出了一种基于Lyapunov稳定性理论的分散变结构自适应控制方案.通过引入积分滑模和能在线估计不确定性扰动与时滞关联的界的自适应算法,保证了闭环系统的渐近稳定性,实现了系统的鲁棒自适应控制.所提出的方案具有较强的工程实用性.算例仿真的结果表明了该控制方案的可行性.     

非线性大系统的分散线性化与分散控制

将非线性控制系统的精确线性化方法应用于非线性大系统,提出了非线性大系统 的分散线性化方法,并得到了非线性系统可分散线性化的充要条件.按照这个方法,可将难度 较大的一类非线性大系统分散控制器的设计转化为易于处理的线性大系统分散控制器的设 计.在得到该线性大系统的分散控制器后,可通过分散坐标变换的逆变换将线性大系统的控 制器变换为原非线性大系统的控制器.同时,控制器的分散性保持不变.该方法明显地降低了 该类非线性大系统分散控制器的设计难度.     

基于模糊神经网络的非线性大系统滑模自适应控制

针对一类非线性大系统，基于模糊神经网络，提出了一种分散滑模自适应控制方法。由模糊神经网络实现滑模控制，平滑了控制切换信号，消除了滑模控制中出现的颤动现象且使系统有强的鲁棒性，同时在控制器的设计中不需要知道系统中的不确定性和扰动的上界。利用Ｌｙａｐｕｎｏｖ稳定理论证明了闭环系统是稳定的且跟踪误差收敛到零的一个邻域内。     

大系统分散鲁棒容错控制的进展及主要成果

综述了近２０年来关联大系统分散鲁棒容错控制的研究动态及取得的主要成果。说明了统一地研究分散鲁棒容错控制的必要性。在分散控制、鲁棒控制和容错控制研究领域内，分析了各种设计方法的主导思想及实质；指出了这些研究成果的意义与存在的问题。文中着重论述了分散、鲁棒、容错控制研究方法的发展途径。     

工业串联系统的广义预测控制

针对由一系列环节串联而成的工业对象，提出一种利用过程中间可测变量进行预测和反馈，并能对这些变量的变化率加以限制的预测控制算法。仿真结果表明该算法具有良好的抗干扰性和鲁棒性。