智能预测控制讲稿-南开大学

1、南开大学研究生课程南开大学研究生课程智能预测控制智能预测控制陈增强陈增强 教授教授南开大学计算机与控制工程学院南开大学计算机与控制工程学院智能自适应预测控制研究室智能自适应预测控制研究室 2014年年3月月致谢致谢 感谢我的导师袁著祉教授的辛勤培育！感谢我的导师袁著祉教授的辛勤培育！主要内容主要内容v第一部分：预测控制第一部分：预测控制v第二部分：神经网络及控制第二部分：神经网络及控制v第三部分：基于神经网络的智能预测控制第三部分：基于神经网络的智能预测控制第一部分：预测控制v第一章第一章 绪论绪论v第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论v第三章第三章 有约束广义预测控制有约束

2、广义预测控制v第四章第四章 多变量广义预测控制多变量广义预测控制第一章 绪论1.1 1.1 自动控制理论发展与先进控制技术自动控制理论发展与先进控制技术 1.1.1 1.1.1 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述 1.1.2 1.1.2 先进控制技术发展先进控制技术发展1.2 1.2 预测控制发展与早期研究预测控制发展与早期研究 1.2.1 1.2.1 预测控制发展预测控制发展 1.2.2 1.2.2 预测控制早期研究预测控制早期研究1.3 1.3 现代预测控制现代预测控制第一章 绪论1.1 1.1 自动控制理论发展与先进控制技术自动控制理论发展与先进控制技术1.1.1 1.1.1 自动

3、控制理论发展简述自动控制理论发展简述u 2020世纪世纪5050年代年代“经典控制理论经典控制理论” 研究对象：线性定常系统，单输入研究对象：线性定常系统，单输入-单输出系统；单输出系统； 研究方法：传递函数、频率特性（伯德图、根轨迹图、研究方法：传递函数、频率特性（伯德图、根轨迹图、Nyquist Nyquist 判据）。判据）。u2020世纪世纪6060年代年代“现代控制理论现代控制理论” 研究对象：线性或非线性系统、定常或时变系统，多输入研究对象：线性或非线性系统、定常或时变系统，多输入-多输出系统；多输出系统； 研究方法：状态方程（一阶微分或差分方程组）、时域分析法；研究方法：状态方程

4、（一阶微分或差分方程组）、时域分析法； 主要内容：能控能观性分析、李亚普诺夫稳定性理论、系统辨识、卡尔主要内容：能控能观性分析、李亚普诺夫稳定性理论、系统辨识、卡尔曼滤波、最优控制（庞特里亚金极大值原理、贝尔曼动态规划）。曼滤波、最优控制（庞特里亚金极大值原理、贝尔曼动态规划）。 第一章 绪论1.1.2 1.1.2 先进控制技术发展先进控制技术发展解耦控制解耦控制精确线性化精确线性化鲁棒控制鲁棒控制变结构控制变结构控制自适应控制自适应控制极点配置控制极点配置控制逆模型控制逆模型控制模型预测控制模型预测控制模糊控制模糊控制神经网络控制神经网络控制基于规则的控制基于规则的控制 - -专家控制系统专

5、家控制系统学习控制学习控制 迭代学习控制、迭代学习控制、 加强学习控制、加强学习控制、 重复学习控制、重复学习控制、 基于模式识别学习控制基于模式识别学习控制自抗扰控制自抗扰控制无模型控制无模型控制第一章 绪论1.2 1.2 预测控制发展与早期研究预测控制发展与早期研究1.2.1 1.2.1 预测控制产生及发展预测控制产生及发展 预测控制是一种基于模型的先进控制技术，即模型预测控制预测控制是一种基于模型的先进控制技术，即模型预测控制(MPC: (MPC: Model Predictive Control)Model Predictive Control)。最早由法国工程师。最早由法国工程师Ri

6、chaletRichalet于于19781978年提出。年提出。v主要特征：主要特征：预测模型、滚动优化、反馈校正、设定值柔化。预测模型、滚动优化、反馈校正、设定值柔化。v主要优点：主要优点：克服受控对象未建模误差、参数与环境等方面的不确定性、克服受控对象未建模误差、参数与环境等方面的不确定性、大时滞或变时滞等，具有鲁棒性。大时滞或变时滞等，具有鲁棒性。v基本类型：基本类型：1 1）以非参数模型为预测模型的预测控制算法）以非参数模型为预测模型的预测控制算法 动态矩阵控制（动态矩阵控制（DMCDMC）: Cutler: Cutler提出，基于阶跃相应模型；提出，基于阶跃相应模型； 模型算法控制（

7、模型算法控制（MACMAC）: Rauhani: Rauhani提出，基于脉冲阶跃相应模型。提出，基于脉冲阶跃相应模型。2 2）以参数模型为预测模型的预测控制算法）以参数模型为预测模型的预测控制算法广义预测控制（广义预测控制（GPCGPC）: Clake: Clake提出，基于提出，基于(CARIMA(CARIMA：Controlled Auto-Controlled Auto-Regressive Integrated Moving Average)Regressive Integrated Moving Average)模型模型; ;广义预测极点配置控制（广义预测极点配置控制（GPPCGP

8、PC）: Lelic: Lelic提出提出; ;扩展时域自适应控制（扩展时域自适应控制（EHACEHAC）: Ydstie: Ydstie提出提出; ;扩展时域预测自适应控制（扩展时域预测自适应控制（ESPACESPAC）: De Keyser: De Keyser提出提出. .第一章 绪论1.2 1.2 预测控制发展与早期研究预测控制发展与早期研究1.2.2 1.2.2 预测控制的早期研究预测控制的早期研究 v 理论分析：理论分析：稳定性分析、鲁棒性分析。稳定性分析、鲁棒性分析。v 算法的改进与推广：算法的改进与推广：简化算法、多变量系统、模型及目标函数改进。简化算法、多变量系统、模型及目标

9、函数改进。v 工程应用：工程应用：石油、化工、冶金、造纸、水泥、锅炉、窑炉等过程工业，石油、化工、冶金、造纸、水泥、锅炉、窑炉等过程工业，出现了多种运行于集散式控制系统上的商业化模型预测控制软件包。出现了多种运行于集散式控制系统上的商业化模型预测控制软件包。1 1.3 .3 现代预测控制现代预测控制 预测控制与其它先进控制方法结合。预测控制与其它先进控制方法结合。 自适应预测控制；自适应预测控制； 鲁棒预测控制；鲁棒预测控制； 多变量解耦预测控制；多变量解耦预测控制； 非线性系统预测控制；非线性系统预测控制； 模糊预测控制；模糊预测控制； 神经网络预测控制；神经网络预测控制； 多速率采样预测控

10、制；多速率采样预测控制； 多模型切换预测控制；多模型切换预测控制； 有约束预测控制；有约束预测控制； 预测函数控制。预测函数控制。第一章 绪论参考书目参考书目1 1 席裕庚，预测控制，国防工业出版社。席裕庚，预测控制，国防工业出版社。2 2 舒迪前，预测控制理论及应用，机械工业出版社。舒迪前，预测控制理论及应用，机械工业出版社。3 3 王伟，广义预测控制理论及应用，科学出版社。王伟，广义预测控制理论及应用，科学出版社。4 4 诸静等，智能预测控制理论及其应用，浙江大学出版社。诸静等，智能预测控制理论及其应用，浙江大学出版社。5 5 钱积新等，预测控制，化工出版社。钱积新等，预测控制，化工出版社

11、。66 D W Clarke et.al, Generalized predictive control, Part I & II, Automatica, 1987, 23(2): 137-第一部分第一部分 预测控制预测控制第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论第三章第三章 有约束广义预测控制有约束广义预测控制第四章第四章 多变量广义预测控制多变量广义预测控制第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论2 2.1 .1 模型预测控制的结构及典型算法模型预测控制的结构及典型算法 2 2.1.1 .1.1 模型预测模型预测控制控制系统结构系统结构

12、2 2.1.2 .1.2 典型模型预测典型模型预测控制控制方法方法2 2.2 .2 动态矩阵控制（动态矩阵控制（DMCDMC） 2 2.2.1 .2.1 阶跃响应特性及预测模型阶跃响应特性及预测模型 2.2.2 2.2.2 预测模型预测模型 2 2.2.3 .2.3 反馈校正反馈校正 2.2. 2.2.4 4 参考轨迹柔化参考轨迹柔化 2.2. 2.2.5 5 滚动优化滚动优化 2.2. 2.2.6 6 DMC DMC算法步骤算法步骤 2.2. 2.2.7 7 DMC DMC算法优点及特征算法优点及特征2 2.3 .3 广义广义预测控制预测控制(GPC)(GPC) 2.3.1 2.3.1 预测

13、模型预测模型 2.3.2 2.3.2 跟踪轨迹柔化跟踪轨迹柔化 2.3.3 2.3.3 滚动优化滚动优化 2.3.4 2.3.4 反馈校正反馈校正-自校正控制算法自校正控制算法 2.3.5 GPC 2.3.5 GPC自校正算法流程自校正算法流程 2.3.6 2.3.6 仿真研究仿真研究 2.3.7 GPC 2.3.7 GPC的内模结构的内模结构 2.3.8 GPC 2.3.8 GPC的主要特征及优点的主要特征及优点 2.3.9 GPC 2.3.9 GPC的改进的改进 2.3.10 GPC 2.3.10 GPC 应用举例应用举例第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论2.1 2.1

14、 模型预测控制的结构及典型算法模型预测控制的结构及典型算法2.1.1 2.1.1 模型预测控制系统的结构模型预测控制系统的结构 模型预测控制模型预测控制(MPC)(MPC)系统大致包括四部分：系统大致包括四部分： 预测模型：以各种不同的预测模型为基础；预测模型：以各种不同的预测模型为基础； 滚动优化：采用在线滚动优化指标；滚动优化：采用在线滚动优化指标； 反馈校正：对预测误差在线校正；反馈校正：对预测误差在线校正； 参考轨迹：对设定值给出一个柔化的轨迹。参考轨迹：对设定值给出一个柔化的轨迹。 预测控制的典型结构。使其能够有效地克服受控对象的不确定预测控制的典型结构。使其能够有效地克服受控对象的

15、不确定性、时间延迟和时变等不确定因素的动态影响，从而达到预期的控性、时间延迟和时变等不确定因素的动态影响，从而达到预期的控制目标，并使系统具有良好的鲁棒性和稳定性。制目标，并使系统具有良好的鲁棒性和稳定性。 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论2.1 2.1 模型预测控制的结构及典型算法模型预测控制的结构及典型算法2.1.1 2.1.1 模型预测控制系统的结构模型预测控制系统的结构 参考轨迹滚动优化被控对象在线校正预测模型输出量输出量y(k)y(k)控制量控制量u(k)u(k)设定值设定值y yr r(k)(k)yyp p(k+j)(k+j)yym m(k+j)(k+j)柔化

16、轨迹柔化轨迹 y yd d(k+j)(k+j)图图2.1 2.1 模型预测控制结构图模型预测控制结构图第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 预测控制的上述典型结构，使其能够有效地克服控制对象的不确定性、迟滞和时变预测控制的上述典型结构，使其能够有效地克服控制对象的不确定性、迟滞和时变等因素的动态影响，从而达到预期的控制目标，并使系统具有良好的鲁棒性和稳定性。等因素的动态影响，从而达到预期的控制目标，并使系统具有良好的鲁棒性和稳定性。 2.1.2 2.1.2 典型模型预测控制算法典型模型预测控制算法 预测控制算法已有多种，基本上都是基于几种常用的典型算法：预测控制算法已有多种，

17、基本上都是基于几种常用的典型算法： 1 1）动态矩阵控制（）动态矩阵控制（DMC-Dynamic Matrix Control);DMC-Dynamic Matrix Control); 2) 2) 模型算法控制（模型算法控制（MAC-Model Algorithm ControlMAC-Model Algorithm Control）; ; 3) 3) 广义预测控制（广义预测控制（GPC-Generalized Predictive Control).GPC-Generalized Predictive Control). 本章对本章对1 1）和）和3 3）两种典型预测控制算法做详细的介绍。

18、）两种典型预测控制算法做详细的介绍。 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第

19、二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测

20、控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基

21、础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章

22、 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第三章第三章 有约束预测控制有约束预测控制3 3.1 .1 等式约束的等式约束的GPCGPC 3 3.2 .2 含有硬约束的含有硬约束的GPCGPC 3 3.3 .3 含有不等式约束的含有不等式约束的GPCGPC 第三章 有约束预测控制第三章 有约束预测控制第三章 有约束预测控制第三章 有约束预测控制第三章 有约束预测控制第三章 有约束预测控制第三章 有约束预测控制第三章 有约束预测控制第三章 有约束预测控制第三章 有约束预测控制第三章 有约束预测控制第三章 有约束预测控制第三章 有约束预测控制第三章 有约束预测控制第四章 多变量广义预测控制4 4.1 .1 模型描述及目标函数模型描述及目标函数 4 4.2 .2 控制器求解控制器求解 4 4.3 .3 自校正控制算法自校正控制算法4.4 4.4 有约束的有约束的MGPCMGPC4.5