控制理论与控制工程学科研究生课程 预测控制-1.ppt

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1、预测控制PredictiveControl控制理论与控制工程学科研究生课程06十月2021主要内容预测控制概论相关课程基础模型算法控制－MAC动态矩阵控制－DMC广义预测控制－GPC基于状态空间模型的预测控制其它预测控制算法预测控制研究现状与工业应用第1讲预测控制概论06十月2021内容要点预测控制的产生背景预测控制的发展历程预测控制的基本原理预测控制的基本特点主要参考书06十月2021预测控制预测控制是自动控制理论的一个分支预测控制是一种计算机优化控制方法预测控制的主要应用领域：工业过程预测控制适于解决多变量、有约束的工业过程控制问题

2、预测控制产生于20世纪70年代末预测控制源于实际应用预测控制广泛应用于工业控制领域06十月2021预测控制的产生背景理论背景：状态空间理论最优控制理论现代控制理论多变量控制理论（理论体系、方法、指应用：航空、机电等标…..)……应用背景：工业生产规模不断扩大对生产过程要求不断提高：质量、性能、安全……复杂性：非线性、不确定性、时变性、耦合、时滞……06十月2021预测控制的产生背景现代控制理论的不足：依赖精确模型适合多变量控制，但算法复杂实现困难：计算量大、鲁棒性差…..工程实际：对象越来越复杂，难以建模不确定因素多……06十月2021

3、预测控制的产生背景工业过程对控制的要求高质量的控制性能对模型要求不高强鲁棒性实现方便便于处理约束条件06十月2021预测控制的产生背景控制理论与工程应用之间存在矛盾：精确建模不确定性（现代控制理论）（实际工业过程）尖锐矛盾06十月2021预测控制的产生背景理论途径：理论工程应用自适应控制：在线调整控制器参数，以适应被控对象的变化。鲁棒控制：在设计控制器时考虑对象的不确定性，使得控制系统在被控对象发生变化时，系统性能几乎不受影响。工程途径：工程应用理论预测控制：面向工业过程特点，基于简单模型，通过滚动时域优化、反馈校正等措施，使得控制系统

4、综合性能优，在线计量小。06十月2021LQG算法(linearquadraticGaussian)u--processinputs,ormanipulatedvariablesy--measuredprocessoutputs.x--processstatestobecontrolled.wk--statedisturbance，independentGaussiannoisewithzeromean.nk--measurementnoise，independentGaussiannoisewithzeromean.X0--initi

5、alstate，assumedtobeGaussianwithnon-zeromean.预测控制的产生背景——LQG算法06十月2021预测控制的产生背景——LQG算法优化问题为assumption–allvariablesarewrittenintermsofdeviationsfromadesiredsteadystate.thesolutiontothisproblemisknownasthelinearquadraticGaussian(LQG)controller06十月2021预测控制的产生背景——LQG算法上述优化问题的解

6、为卡尔曼滤波增益Kf通过求解矩阵黎卡提方程得到，而控制器增益Kc通过构建对偶的黎卡提方程得到。06十月2021预测控制的产生背景——LQG算法LQG算法具有强大的稳定性，对于精确模型，只要Q半正定，R正定，任何合理的线性对象的LQG控制器都会稳定.在很宽的应用领域，LQG理论很快成为解决控制问题的标准方法。Goodwin,Graebe,andSalgado(2001)估计每年有数以千记的实际应用问题用基于Kalman滤波器的LQG算法实现，同时伴有大约400项/年的相关专利。06十月2021预测控制的产生背景——LQG算法但是，LQG算

7、法对过程工业控制技术的影响微乎其微，原因在于：约束过程非线性不确定性单一的性能指标06十月2021预测控制的发展历程1978年，J.Richalet等提出了模型预测启发控制算法（MPHC，ModelPredictiveHeuristicControl）Richalet,J.,Rault,A.,Testud,J.L.,&Papon,J.(1978).Modelpredictiveheuristiccontrol:Applicationstoindustrialprocesses.Automatica,14,413–428.1980年，C.

8、R.Cutler等提出动态矩阵控制（DMC，DynamicMatrixControl）Cutler,C.R.,&Ramaker,B.L.(1980).Dynamicmatrixcontrol—acomput