先进控制理论及其应用 教学课件 作者 葛宝明 林飞_ 第五章.ppt

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1、第5章　预测控制5.1　基本原理5.2　典型的预测控制算法5.3　永磁同步电动机的DMC5.1　基本原理预测模型滚动优化反馈校正MPC原理框图DMC算法是一种基于对象阶跃响应的预测控制算法，它适用于渐进稳定的线性装置。对于不稳定装置，一般可先用于常规PID控制使其稳定，然后再使用DMC算法；对于弱非线性装置，可在工作点处线性化。5.2　典型的预测控制算法单输入单输出渐进稳定对象通过离线或在线辨识，并经平滑得到系统的阶跃响应曲线5.2.1模型预测对于渐近稳定的对象，阶跃响应在某一时刻后将趋于平稳，已近似等于阶跃响应的稳态值有限集合就是对象的内部模型。5.2.2滚动优化在每一时刻，通过优

2、化策略，确定从该时刻起的未来个控制增量，使系统在其作用下，未来个时刻的输出预测值尽可能地接近期望值。图10.2动态矩阵控制的优化策略在采样时刻，采用二次型优化性能指标为可求得最优解为：只取最优解中的即时控制增量构成实际控制量作用于系统。到下一时刻，它又提出类似的优化问题求出。然后重复上述步骤计算时刻的控制量。5.2.3反馈校正图10.3误差校正及移位设初值其中图10.4动态矩阵算法控制结构图5.2.4算法实现1离线计算检测对象的阶跃响应，并经光滑后得到模型系数；利用仿真程序确定优化策略和计算控制系数选择校正系数。2初始化检测对象的实际输出，设它为预测初值。3在线运算图10.5DMC初

3、始化程序图10.6DMC在线计算流程图5.2.5设计参数的选择当DMC算法在线实施时，只涉及到模型参数、控制参数和校正参数。但其中除了可由设计者直接自由选择外，取决于对象阶跃响应特性及采样周期的选择，取决于及优化性能指标，它们都是设计的结果而非直接可调参数。在设计中真正要确定的原始参数应该是：采样周期；滚动优化参数的初值，包括：时域长度、控制时域长度、误差权矩阵和控制权矩阵；误差校正参数。由于这些参数都有比较直观的物理含义，对于一般的被控对象，DMC通常使用凑试与仿真结合的方法，对设计参数进行整定。5.2.6DMC的主要特征和优点1.DMC主要特征（1）预测模型采用阶跃响应模型。（2

4、）设计过程中固定格式是：用二次型目标函数决定控制量最优增量序列，由于考虑到各种约束条件时，求最优解相当费时，因此，不少学者研究了诸如双值动态矩阵控制、自校正动态矩阵控制等多种算法。（3）参数调整：用改变二次型目标函数中的权系数阵Q,R来实现。2.DMC算法的优点（1）直接在控制算法中考虑预测变量和控制变量的约束条件，用满足约束条件的范围求出最优预测值。（2）把控制变量与预测变量的权系数矩阵作为设计参数，在设计过程中通过仿真来调节鲁棒性好的参数值。（3）控制变量与预测变量较多的场合，或者控制变量的设定在给出的目标范围内，这时具有自由度，预测变量的定常状态值被认为是有无数组组合。（4）从

5、受控对象动态特性设定到最后做仿真来确定控制性能为止，这一系列设计规范已相当成熟。（5）DMC算法以作为控制量，在控制中包含了数字积分环节，因此，即使在模型失配的情况下，也能得到无静差控制。模型算法控制MAC与DMC相同，MAC也适用于渐进稳定的线性对象，但其设计前提不是对象的阶跃响应，而是其脉冲响应5.2.7具有简易性能指标的MAC如图，若对象是渐进稳定的图系统的离散脉冲响应对象的离散脉冲响应便可近似地用有限个脉冲响应值（）来描述，这个有限响应信息的集合就是对象的内部模型。单输入单输出渐进稳定对象通过离线或在线辨识，并经平滑得到系统的脉冲响应曲线MAC算法的预测模型采用被控对象的单位

6、脉冲响应的离散采样数据。则有1预测模型2参考轨迹在MAC算法中，控制的目的是使系统的期望输出从时刻的实际输出值出发，沿着一条事先规定的曲线逐渐到达设定值，这条指定的曲线称为参考轨迹。图10.9参考轨迹与最优化对象的输出用离散卷积公式近似表达为最优控制律由所选用的性能指标来确定，通常选用输出预测误差和控制量加权的二次型性能指标:3滚动优化最优控制的目的是求出控制作用序列，使得优化时域内的输出预测值尽可能地接近参考轨迹。为了得到预测输出值，利用预测模型,并把预测所得到的模型输出直接作为，即(1)开环预测在预测控制中，在每一时刻求解上述优化问题后，只需把即时控制量作用于实际对象。这一算法的

7、结构框图如图中不带虚线的部分。图10.10模型算法控制原理示意图带有反馈校正的闭环预测结构。(2)闭环预测在模型预测控制中通常是用输出误差反馈校正方法设第步的实际对象输出测量值与预测模型输出之间的误差为，利用该误差对预测输出进行反馈修正，得到校正后的闭环输出预测值为写成向量形式，得具有简易性能指标的MAC1预测模型2．参考轨迹k时刻的参数轨迹采样值可用向量形式写做3．闭环预测k时刻对输出的闭环预测可记为式中4．最优控制律最优即时控制量为式中5．与DMC比较