预测控制-1.ppt
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1、预测控制预测控制Predictive ControlPredictive Control 宋执环浙江大学控制科学与工程学系控制科学与工程学科研究生学位课程控制科学与工程学科研究生学位课程5/12/20241.课程主要内容课程主要内容qq预测控制概论预测控制概论预测控制概论预测控制概论qq相关课程基础相关课程基础相关课程基础相关课程基础qq模型算法控制模型算法控制模型算法控制模型算法控制MACMACMACMACqq动态矩阵控制动态矩阵控制动态矩阵控制动态矩阵控制DMCDMCDMCDMCqq广义预测控制广义预测控制广义预测控制广义预测控制GPCGPCGPCGPCqq基于状态空间模型的预测控制基于状
2、态空间模型的预测控制基于状态空间模型的预测控制基于状态空间模型的预测控制qq其它预测控制算法其它预测控制算法其它预测控制算法其它预测控制算法qq预测控制研究现状与工业应用预测控制研究现状与工业应用预测控制研究现状与工业应用预测控制研究现状与工业应用5/12/20242.第 1 讲预测控制概论5/12/20243.第一讲内容要点第一讲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5/12/20244.预测控制预测控制vv预测控制是自动控制理论的一个预测控制是自动控制理论的一个预测控制是自动控制理论的一个预测控制是自动控制理论的一个分支分支分支分支vv预
3、测控制是一种预测控制是一种预测控制是一种预测控制是一种计算机优化控制计算机优化控制计算机优化控制计算机优化控制方法方法方法方法vv预测控制的主要应用领域:预测控制的主要应用领域:预测控制的主要应用领域:预测控制的主要应用领域:工业过程工业过程工业过程工业过程vv预测控制适于解决预测控制适于解决预测控制适于解决预测控制适于解决多变量、有约束多变量、有约束多变量、有约束多变量、有约束的工业过程控制问题的工业过程控制问题的工业过程控制问题的工业过程控制问题vv预测控制产生于预测控制产生于预测控制产生于预测控制产生于2020世纪世纪世纪世纪7070年代末年代末年代末年代末vv预测控制源于实际应用预测控
4、制源于实际应用预测控制源于实际应用预测控制源于实际应用vv预测控制广泛应用于工业控制领域预测控制广泛应用于工业控制领域预测控制广泛应用于工业控制领域预测控制广泛应用于工业控制领域5/12/20245.预测控制的产生背景预测控制的产生背景vv理论背景:理论背景:理论背景:理论背景:状态空间理论状态空间理论状态空间理论状态空间理论 最优控制理论最优控制理论最优控制理论最优控制理论 现代控制理论现代控制理论现代控制理论现代控制理论 多变量控制多变量控制多变量控制多变量控制理理理理论论论论 (理论体系、方法、指标(理论体系、方法、指标(理论体系、方法、指标(理论体系、方法、指标.).).).)应用:应
5、用:应用:应用:航空、机电等航空、机电等航空、机电等航空、机电等 vv应用背景:应用背景:应用背景:应用背景:工业生产规模不断扩大工业生产规模不断扩大工业生产规模不断扩大工业生产规模不断扩大 对生产过程要求不断提高:对生产过程要求不断提高:对生产过程要求不断提高:对生产过程要求不断提高:质量、性能、安全质量、性能、安全质量、性能、安全质量、性能、安全 复杂性:非线性、不确定性、时变性、耦合、时滞复杂性:非线性、不确定性、时变性、耦合、时滞复杂性:非线性、不确定性、时变性、耦合、时滞复杂性:非线性、不确定性、时变性、耦合、时滞5/12/20246.预测控制的产生背景预测控制的产生背景vv现代控制
6、理论的不足:现代控制理论的不足:现代控制理论的不足:现代控制理论的不足:依赖精确模型依赖精确模型依赖精确模型依赖精确模型 适合多变量控制适合多变量控制适合多变量控制适合多变量控制,但算法复杂,但算法复杂,但算法复杂,但算法复杂 实现困难:实现困难:实现困难:实现困难:计算量大、鲁棒性差计算量大、鲁棒性差计算量大、鲁棒性差计算量大、鲁棒性差.vv工程实际:工程实际:工程实际:工程实际:对象越来越复杂,难以建模对象越来越复杂,难以建模对象越来越复杂,难以建模对象越来越复杂,难以建模 不确定因素多不确定因素多不确定因素多不确定因素多 5/12/20247.预测控制的产生背景预测控制的产生背景vv工业
7、过程对控制的要求工业过程对控制的要求工业过程对控制的要求工业过程对控制的要求 高质量的控制性能高质量的控制性能高质量的控制性能高质量的控制性能 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 强鲁棒性强鲁棒性强鲁棒性强鲁棒性 实现方便实现方便实现方便实现方便 便于处理约束条件便于处理约束条件便于处理约束条件便于处理约束条件 5/12/20248.预测控制的产生背景预测控制的产生背景vv控制理论控制理论控制理论控制理论与与与与工程应用工程应用工程应用工程应用之间存在矛盾:之间存在矛盾:之间存在矛盾:之间存在矛盾:精确建模精确建模精确建模精确建模 不确定性不确定性不确定性不确定性 (现代
8、控制理论)(现代控制理论)(现代控制理论)(现代控制理论)(实际工业过程)(实际工业过程)(实际工业过程)(实际工业过程)5/12/20249.预测控制的产生背景预测控制的产生背景vv理论途径:理论途径:理论途径:理论途径:理论理论理论理论 工程应用工程应用工程应用工程应用 自适应控制自适应控制自适应控制自适应控制:在线调整控制器参数,以适应被控对象的变化。在线调整控制器参数,以适应被控对象的变化。在线调整控制器参数,以适应被控对象的变化。在线调整控制器参数,以适应被控对象的变化。鲁棒控制:鲁棒控制:鲁棒控制: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在设计控制器时考虑
9、对象的不确定性,使得控制系统在被控对象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。发生变化时,系统性能几乎不受影响。发生变化时,系统性能几乎不受影响。发生变化时,系统性能几乎不受影响。vv工程途径:工程途径:工程途径:工程途径:工程应用工程应用工程应用工程应用 理论理论理论理论 预测控制:预测控制:预测控制: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、反馈校面向工业过
10、程特点,基于简单模型,通过滚动时域优化、反馈校正等措施,使得控制系统综合性能优,在线计量小。正等措施,使得控制系统综合性能优,在线计量小。正等措施,使得控制系统综合性能优,在线计量小。正等措施,使得控制系统综合性能优,在线计量小。5/12/202410.预测控制的发展历程预测控制的发展历程vv19781978年,年,年,年,J.J.RichaletRichalet等提出了等提出了等提出了等提出了模型预测启发控制模型预测启发控制模型预测启发控制模型预测启发控制算法算法算法算法(MPHCMPHC,Model Predictive Heuristic ControlModel Predictive
11、Heuristic Control)vv19801980年,年,年,年,CutlerCutler等提出等提出等提出等提出动态矩阵控制动态矩阵控制动态矩阵控制动态矩阵控制(DMCDMC,Dynamic Matrix Dynamic Matrix ControlControl)vv19821982年,年,年,年,MeralMeral等在等在等在等在MPHCMPHC基础上进一步提出基础上进一步提出基础上进一步提出基础上进一步提出模型算法控制模型算法控制模型算法控制模型算法控制(MAC MAC,Model Algorithm ControlModel Algorithm Control)vv19871
12、987年,年,年,年,ClarkeClarke等提出等提出等提出等提出广义预测控制广义预测控制广义预测控制广义预测控制(GPCGPC,Generalized Generalized Predictive ControlPredictive Control)vv预测控制理论预测控制理论预测控制理论预测控制理论初步形成初步形成初步形成初步形成vv9090年代以来,其它新型预测控制算法、系统设计与分析方法不断提年代以来,其它新型预测控制算法、系统设计与分析方法不断提年代以来,其它新型预测控制算法、系统设计与分析方法不断提年代以来,其它新型预测控制算法、系统设计与分析方法不断提出出出出。5/12/20
13、2411.预测控制的发展历程预测控制的发展历程vv预预预预测测测测控控控控制制制制首首首首先先先先在在在在工工工工程程程程实实实实践践践践获获获获得得得得成成成成功功功功应应应应用用用用,是是是是实实实实践践践践超超超超前于理论的一类控制器设计方法;前于理论的一类控制器设计方法;前于理论的一类控制器设计方法;前于理论的一类控制器设计方法;vv预预预预测测测测控控控控制制制制可可可可看看看看作作作作是是是是经经经经典典典典反反反反馈馈馈馈控控控控制制制制和和和和现现现现代代代代最最最最优优优优控控控控制制制制之之之之间的一种折中(滚动优化间的一种折中(滚动优化间的一种折中(滚动优化间的一种折中(
14、滚动优化+反馈校正);反馈校正);反馈校正);反馈校正);vv预预预预测测测测控控控控制制制制是是是是目目目目前前前前过过过过程程程程控控控控制制制制中中中中处处处处理理理理多多多多变变变变量量量量约约约约束束束束控控控控制制制制问问问问题的最有效方法之一;题的最有效方法之一;题的最有效方法之一;题的最有效方法之一;vv预测控制中的典型代表:预测控制中的典型代表:预测控制中的典型代表:预测控制中的典型代表:MACMACMACMAC、DMCDMCDMCDMC和和和和GPCGPCGPCGPC;MACMACMACMAC:提供了一种先进控制技术的简单实现方式。提供了一种先进控制技术的简单实现方式。DM
15、CDMCDMCDMC:专专门门针针对对多多变变量量约约束束系系统统提提出出的的一一种种控控制制方方法法,真正体现了预测控制的思想和优点。真正体现了预测控制的思想和优点。GPCGPCGPCGPC:提提供供了了一一种种自自适适应应预预测测控控制制框框架架,但但并并不不适适用用于于多变量约束系统。多变量约束系统。5/12/202412.预测控制的三要素预测控制的三要素vv预测控制算法的核心内容:预测控制算法的核心内容:预测控制算法的核心内容:预测控制算法的核心内容:建立内部模型、确定参考轨迹、设计控制算法、在线优化建立内部模型、确定参考轨迹、设计控制算法、在线优化建立内部模型、确定参考轨迹、设计控制
16、算法、在线优化建立内部模型、确定参考轨迹、设计控制算法、在线优化vv预测控制算法的三要素为:预测控制算法的三要素为:预测控制算法的三要素为:预测控制算法的三要素为:预测模型预测模型预测模型预测模型 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5/12/202413.预测控制的三要素预测控制的三要素vv预测模型:预测模型:预测模型:预测模型:对未来一段时间内的输出进行预测;对未来一段时间内的输出进行预测;对未来一段时间内的输出进行预测;对未来一段时间内的输出进行预测;vv滚动优化滚动优化滚动优化滚动优化:滚动进行有限时域在线优化;:滚动进行有限时域在线优化;:滚动进行有限时
17、域在线优化;:滚动进行有限时域在线优化;vv反馈校正反馈校正反馈校正反馈校正:通过预测误差反馈,修正预测模型,提:通过预测误差反馈,修正预测模型,提:通过预测误差反馈,修正预测模型,提:通过预测误差反馈,修正预测模型,提高预测精度。高预测精度。高预测精度。高预测精度。通过滚动优化和反馈校正弥补模型精度不高的通过滚动优化和反馈校正弥补模型精度不高的通过滚动优化和反馈校正弥补模型精度不高的通过滚动优化和反馈校正弥补模型精度不高的不足,抑制扰动,提高鲁棒性。不足,抑制扰动,提高鲁棒性。不足,抑制扰动,提高鲁棒性。不足,抑制扰动,提高鲁棒性。5/12/202414.vv3 3个相关概念:个相关概念:个
18、相关概念:个相关概念:滤波滤波滤波滤波:已知信号的过去测量值,求当前时刻的真值或期望值。:已知信号的过去测量值,求当前时刻的真值或期望值。:已知信号的过去测量值,求当前时刻的真值或期望值。:已知信号的过去测量值,求当前时刻的真值或期望值。预测预测预测预测:已知信号的过去和当前时刻测量值,求未来若干步的期望:已知信号的过去和当前时刻测量值,求未来若干步的期望:已知信号的过去和当前时刻测量值,求未来若干步的期望:已知信号的过去和当前时刻测量值,求未来若干步的期望值。值。值。值。控制控制控制控制:已知系统输入信号的过去测量值和输出信号的过去与当前:已知系统输入信号的过去测量值和输出信号的过去与当前:
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