预测控制
描述解释预测控制
描述解释预测控制描述解释预测控制可用于检测、诊断、预报。
其中,预测控制系统模型可由: 1.线性二次型预测控制; 2.线性二次非预测控制;3.线性二次非线性预测控制; 4.线性二次线性预测控制; 5.非线性三次非预测控制; 6.多输入多输出(MIMO)描述解释预测控制。
预测控制系统模型构成的描述方法有: 1.状态空间描述; 2.传递函数描述; 3.结构图描述; 4.状态变量描述; 5.模块化描述等等。
描述解释预测控制就是根据已经取得的输入数据,估计输出变量(被控量)未来值的过程。
它具有以下特点: 1.预先控制,也称前馈控制,它可以把误差控制在给定范围之内,使被控对象在尽可能短的时间内达到所希望的性能指标。
在这里,输出量是一个纯粹的变量,而不含其他因素,如随动量等。
所以说预先控制是根据已知的偏差来调整控制器的增益,从而消除偏差,使控制系统始终稳定在一个设定的范围之内。
如果将某一外部扰动消除掉后,系统的输出还能保持在这个范围之内,那么这种控制就叫作“自动”。
在实际应用中,大多数的预先控制系统是这种情况,故预先控制又叫自动控制。
因此我们把用自动控制方式组成的控制系统叫做自动控制系统。
自动控制系统是预先控制的典型应用,但并不限于此。
预先控制也适用于过程参数不能直接观测或无法准确预计的场合,如弹性力学中的稳定性研究,不随时间变化的物理量的研究,采样控制理论中用的分析和综合等。
2.预测控制。
它是根据系统历史数据资料,估算系统的未来数学模型,并根据该数学模型来控制被控对象,以提高系统的性能指标的一种方法。
它只能对可能出现的偏差进行估计,所以它是一种被动控制方式。
它只能用于事先对系统没有任何了解,或者完全不了解,甚至在运行过程中突然发生的故障情况下,才能及时采取措施进行控制,使系统正常运行,防止发生故障,甚至故障还没有产生时就采取措施,把损失减少到最低限度。
例如:核电厂一旦发生爆炸,会产生大量放射性物质,使环境遭受破坏,造成人员伤亡。
预测控制实验报告
预测控制实验报告摘要:本文报告了一项关于预测控制的实验研究,旨在对预测控制的原理和应用进行探讨。
实验通过建立数学模型,并运用预测控制算法对目标系统进行控制。
实验结果表明,预测控制在提高系统稳定性和响应速度方面具有显著的优势。
1. 引言预测控制是一种基于动态模型的控制策略,其可以通过对目标系统的未来特性进行预测来优化控制输入信号,以实现系统的稳定性和性能要求。
预测控制在工业生产中已被广泛应用,对于复杂系统的控制具有重要意义。
2. 实验设计在本实验中,我们首先设计了一个目标系统,即一个简单的加速度系统,用以模拟实际工业生产中的控制系统。
然后,通过使用预测控制算法对该系统进行控制。
2.1 目标系统建模我们使用了一个二阶传递函数模型来描述目标系统,该模型表示了系统的加速度响应特性。
通过测量系统的输入-输出数据,并运用系统辨识技术,我们得到了目标系统的模型参数。
2.2 预测控制算法选择在本实验中,我们选择了基于模型的预测控制算法(MPC),该算法利用目标系统的模型进行控制。
MPC算法通过不断预测系统的未来状态和性能,并通过优化过程来选择最优的控制信号。
我们基于目标系统的模型参数和性能要求,设置了MPC算法的相关参数。
2.3 实验过程在实验中,我们将目标系统的模型参数输入到MPC算法中,并根据目标系统的状态实时更新预测,并生成最优控制信号。
通过不断迭代和优化,我们最终实现了目标系统的控制。
3. 实验结果与分析我们对预测控制算法的性能进行了详细评估和分析。
实验结果表明,通过预测控制算法对目标系统进行控制,系统的稳定性得到了显著提高。
与传统的PID控制相比,预测控制算法在系统响应速度和抗干扰性能上取得了明显的优势。
4. 实验总结本实验通过对预测控制原理和应用的研究,验证了预测控制在系统控制方面的优势。
预测控制算法可以准确地预测未来的系统状态和性能,并通过优化控制信号实现对系统的稳定性和性能的优化。
本实验的结果对于工业生产中的控制系统设计和优化具有重要的指导意义。
10 预测控制解析
P步预测的向量形式
u (k ) u (k 1) u (k 2) ym (k 1) y (k 2) u (k 1) u (k ) u (k 1) m Ym (k ) ym (k M ) u (k M 1) u (k M 2) u (k M 3) ym (k M 1) u (k M 1) u (k M 1) u (k M 2) y (k P) u (k M 1) u (k M 1) u (k M 1) u (k M 2) m u (k N 1) h1 h u (k N 2) 2 u (k N M ) u (k N M 1) u (k P N ) hN
N 1 1 (1 )[w y (k )] g N u (k N ) ( gi gi 1 )u (k i) g1 i 1
入口
① 离线计算
测定g1 , g 2 ,..., g N 确定参考轨迹的时间常 数T 计算 exp(Ts / T )
1 预测模型
如图,若对象是渐近稳定的 gi 0 则有 lim i
y
单输入单输出渐近稳定对 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
对象的离散脉冲响应便可近 似地用有限个脉冲响应值 0 ( g i i 1, 2, N ) 来描述,这个有限响应信息 的集合就是对象的内部模型。
u (N i) u (N i 1) i 1 , 2 , N 1
③ 在线计算
u
*
u (1 )
返回
预测控制
1.1 引言预测控制是一种基于模型的先进控制技术,它不是某一种统一理论的产物,而是源于工业实践,最大限度地结合了工业实际地要求,并且在实际中取得了许多成功应用的一类新型的计算机控制算法。
由于它采用的是多步测试、滚动优化和反馈校正等控制策略,因而控制效果好,适用于控制不易建立精确数字模型且比较复杂的工业生产过程,所以它一出现就受到国内外工程界的重视,并已在石油、化工、电力、冶金、机械等工业部门的控制系统得到了成功的应用。
工业生产的过程是复杂的,我们建立起来的模型也是不完善的。
就是理论非常复杂的现代控制理论,其控制的效果也往往不尽人意,甚至在某些方面还不及传统的PID控制。
70年代,人们除了加强对生产过程的建模、系统辨识、自适应控制等方面的研究外,开始打破传统的控制思想的观念,试图面向工业开发出一种对各种模型要求低、在线计算方便、控制综合效果好的新型算法。
这样的背景下,预测控制的一种,也就是模型算法控制(MAC -Model Algorithmic Control)首先在法国的工业控制中得到应用。
同时,计算机技术的发展也为算法的实现提供了物质基础。
现在比较流行的算法包括有:模型算法控制(MAC)、动态矩阵控制(DMC )、广义预测控制(GPC)、广义预测极点(GPP)控制、内模控制(IMC)、推理控制(IC)等等。
随着现代计算机技术的不断发展,人们希望有一个方便使用的软件包来代替复杂的理论分析和数学运算,而Matlab、C、C++等语言很好的满足了我们的要求。
1.2 预测控制的存在问题及发展前景70年代以来,人们从工业过程的特点出发,寻找对模型精度要求不高,而同样能实现高质量控制性能的方法,以克服理论与应用之间的不协调。
预测控制就是在这种背景下发展起来的一种新型控制算法。
它最初由Richalet和Cutler等人提出了建立在脉冲响应基础上的模型预测启发控制(Model Predictive Heuristic Control,简称“MPHC”),或称模型算法控制(Model Algorithmic Control,简称“MAC”);Cutler等人提出了建立在阶跃响应基础上的动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control,简称“DMC”),是以被控系统的输出时域响应(单位阶跃响应或单位冲激响应)为模型,控制律基于系统输出预测,控制系统性能有较强的鲁棒性,并且方法原理直观简单、易于计算机实现。
第六章 预测控制(Predictive Control)讲解
沿着一条事先规
k k 1
kP t T
定的曲线逐渐到 达设定值 ,这
参考轨迹与最优化
条指w定的曲线称
通常参考轨迹采用从现在时
为参考轨迹 。 刻实际输出值出发的一阶指数函
y r
数形式。
参考轨迹在以后各时刻的值为
y (k j) y(k) [w y(k)][1 exp( jT T )] j 1 , 2 , , P
第六章 预测控制(Predictive Control)
6.1 预测控制的产生
1.现代控制理论的基础是精确的数学模型; 工业过程中的对象其数学模型难以建立
2.工业对象的结构、参数等都具有很大的不确定性; 基于理想模型的最优控制实际无法达到最优
3.工业控制中必须考虑控制手段的经济性, 对工业控制计算机要求不能太高 开始打破传统方法的约束,寻求各种对模型要求低、
模型算法控制(MAC)和动态矩阵控制(DMC) 采用有限脉冲响应模型和有限阶跃响应模型作为 预测模型。 2. 基于ARMA或CARIMA等输入输出参数化模型的预 测控制算法。 来自于经典的自适应控制,融合了自校正控制和预 测控制的优点,GPC。 3. 滚动时域控制(RHC)。 来源于LQ或LQC。
6.3 模型算法控制 (MAC ) 1. 预测模型
设计中, 是一个很重要的参数,它对闭环系统的性
能起重要的作用。
3.最优控制律计算
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。
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:
P
min
J
(k)
q i
[
预测控制的基本原理
预测控制的基本原理
预测控制的基本原理是通过对过去的数据进行分析和建模,从而预测未来的状态或行为,并根据这些预测结果采取相应的控制策略来达到期望的目标。
具体步骤包括:
1. 数据收集:收集历史数据,并进行必要的预处理,例如去除异常值或噪声。
2. 建模:基于收集到的数据,建立数学模型来描述系统的演化规律。
可以使用统计模型、机器学习模型或基于物理原理的数学模型等。
3. 预测:利用建立的模型,对未来的状态进行预测。
可以使用时间序列分析、回归分析、神经网络等方法进行预测。
4. 目标设定:确定期望的目标或性能指标,例如最小化误差、最大化效益等。
5. 控制决策:根据预测结果和目标设定,制定相应的控制策略。
可以使用经典的控制算法,如PID控制器,也可以使用优化算法、模糊控制等。
6. 执行控制:根据控制策略,实施相应的控制动作,将系统引导到期望的状态或行为。
7. 监测调整:监测实际的系统响应,并根据反馈信息进行调整和优化,以进一步提高控制性能。
预测控制的基本原理是基于对系统行为的分析和预测,并通过控制策略来引导系统的运行。
通过不断的预测和调整,可以逐步优化系统的性能,适应变化的环境和需求。
预测控制的基本原理
预测控制的基本原理预测控制是一种控制方法,旨在根据当前系统状态和过去的行为数据,预测未来的系统行为,并采取相应的控制策略以优化系统性能。
预测控制的基本原理包括模型建立、预测、优化和执行等步骤。
首先,预测控制的第一步是建立系统的数学模型。
模型可以是基于物理原理的物理模型,也可以是基于实验数据的经验模型或黑盒模型。
在预测控制中,我们需要将系统状态和输入量映射到输出量上,以描述系统的动态行为。
其次,预测控制的第二步是使用建立好的模型来进行预测。
通过观测系统的当前状态和过去的行为数据,我们可以利用模型预测系统未来的行为。
常用的预测方法包括基于回归分析的线性预测、基于时间序列的ARMA模型、基于神经网络的非线性预测等。
预测结果可以是系统的未来状态、输出或性能指标。
第三步是优化控制策略。
在预测控制中,我们可以使用优化算法,如最优控制、模型预测控制等,以根据预测的系统行为优化控制策略。
优化目标可以是最小化误差、最大化系统性能或满足约束条件等。
通过优化控制策略,我们可以使系统在未来的行为中达到期望的状态或性能。
最后,执行控制策略是预测控制的最后一步。
根据优化得到的控制策略,我们可以将其转化为具体的控制指令,并应用于实际控制系统中。
执行控制策略的方式取决于具体的系统,可能是调整参数、改变输入量、控制开关或阀门等。
通过执行控制策略,我们可以实现对系统的实时控制和调整,使系统在未来的行为中接近预测的结果。
预测控制作为一种先进的控制方法,在许多领域都得到了广泛的应用。
例如,在工业生产中,预测控制可以用于优化生产过程,提高生产效率和产品质量。
在交通系统中,预测控制可以用于交通流量的预测和调度,减少交通拥堵和排放。
在能源管理中,预测控制可以用于优化能源的使用,降低能源消耗和碳排放。
在自动驾驶和机器人领域,预测控制可以用于判断和预测环境中的障碍物,实现安全和高效的运动。
总结来说,预测控制是一种基于系统模型和预测方法的控制方法,通过预测系统未来的行为,优化控制策略并执行控制指令,以达到系统性能的优化。
预测控制-课件
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16
滤波、预测与控制
❖ 预测:
▪ 已知信号的过去测量值: y(k), y(k-1), ……,y(k-n) ▪ 求解未来时刻期望值:y(k+1|k) , y(k+2|k) , ……
y(k)
预估器
y(k+d|k)
▪ 预估器:y(k+1|k)= b1y(k)+b2y(k-1)+……+any(k-n)
反馈
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19
预测控制
❖ 预测控制:
▪ 不仅利用当前及过去测量值: u(k-1), ……,u(k-m), y(k), y(k1), ……,y(k-n)
▪ 也利用未来预测值: y(k+1|k), y(k+2|k), ……,
▪ 优点:利用预测的变化趋势,超前调节
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20
预测控制的基本原理
预测控制的三要素
❖ 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
❖ 预测控制算法的三要素为:
▪ 预测模型 ▪ 滚动优化 ▪ 反馈校正
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13
预测控制的三要素
❖ 预测模型:对未来一段时间内的输出进行预测; ❖ 滚动优化:滚动进行有限时域在线优化; ❖ 反馈校正:通过预测误差反馈,修正预测模型,提
t/T 1─k时刻的预测输出 2─k+1时刻实际输出 3─预测误差 4─k+1时刻校正后的预测输出
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34
反馈校正
y(k) e (k)
y (k+j| k)
y(k-j)
ym(k )
ym (k+j| k-1)
u (k+j )
预测控制的原理方法及应用
预测控制的原理方法及应用1. 概述预测控制是一种基于模型的控制方法,通过使用系统动态模型对未来的系统行为进行预测,进而生成最优的控制策略。
预测控制广泛应用于各种工业自动化和控制系统中,包括机械控制、化工过程控制、交通流量控制等。
2. 预测模型的建立在预测控制中,首先需要建立系统的预测模型,以描述系统的行为。
根据系统的具体特征,可以选择不同的预测模型,包括线性模型、非线性模型和时变模型等。
预测模型的建立通常需要通过系统的历史数据进行参数估计,以获得最佳的模型效果。
3. 预测优化算法为了生成最优的控制策略,预测控制采用了各种优化算法。
其中,最常用的是模型预测控制(MPC)算法,它通过迭代优化的方式,逐步调整控制策略,以使系统的输出与期望输出尽可能接近。
MPC算法可以通过数学优化方法来求解,如线性规划、二次规划等。
此外,还有一些其他的优化算法可以用于预测控制,如遗传算法、粒子群优化算法等。
4. 预测控制的应用预测控制在各种领域都有广泛的应用,下面将介绍几个典型的应用领域。
4.1 机械控制在机械控制中,预测控制被广泛应用于运动轨迹控制、力控制等方面。
通过建立机械系统的预测模型,可以实现对机械系统的高精度控制,并提高系统的稳定性和性能。
4.2 化工过程控制化工过程控制是预测控制的另一个重要应用领域。
通过预测模型对化工过程进行建模,可以实现对反应过程、传输过程等的预测和控制。
预测控制可以提高化工过程的安全性和效率,并减少能源消耗。
4.3 交通流量控制交通流量控制是城市交通管理中的重要问题。
预测控制可以借助历史交通数据建立交通流量的预测模型,并根据预测结果进行交通信号控制。
通过优化交通信号的时序和配时,可以有效减少交通拥堵和排队长度,提高交通流量的运行效率。
5. 预测控制的优势和挑战预测控制相较于传统的控制方法具有一些显著的优势,但也面临一些挑战。
5.1 优势•预测控制可以通过建立系统动态模型,更准确地预测系统的未来行为,从而生成更优的控制策略。
预测控制 经典书籍
预测控制经典书籍预测控制是一种控制理论和方法,它在许多工程和科学领域中都有广泛的应用。
关于预测控制的经典书籍有很多,以下是一些被广泛认可的经典著作:1. "Predictive Control for Linear and Hybrid Systems",作者,Alberto Bemporad 和 Manfred Morari。
这本书详细介绍了线性和混合系统的预测控制理论和方法,包括基本概念、算法和应用。
2. "Predictive Control with Constraints",作者,Jan Maciejowski。
这本书深入探讨了带有约束条件的预测控制问题,涵盖了理论、算法和实际应用,对于控制工程师和研究人员来说是一本非常有价值的参考书。
3. "Predictive Control: An Introduction",作者,Finn Haugen。
这本书是一本介绍性的著作,适合初学者阅读,它详细解释了预测控制的基本概念、原理和应用,是学习预测控制的良好起点。
4. "Predictive Control in Process Engineering: From the Basics to the Applications",作者,Andrey P. Naumenko 和Leonid M. Fridman。
这本书着重介绍了预测控制在过程工程中的应用,涵盖了从基础知识到实际应用的内容,对于从事过程控制工程的专业人士来说是一本不可多得的参考书。
这些经典书籍涵盖了预测控制的基本理论、算法和实际应用,对于想深入了解预测控制的人士来说都是非常有价值的参考资料。
阅读这些书籍可以帮助读者建立扎实的预测控制理论基础,掌握预测控制的关键概念和技术,从而在工程实践中取得更好的应用效果。
预测控制:探讨预测控制在控制系统中的应用和实践
预测控制:探讨预测控制在控制系统中的应用和实践引言在现代工业控制系统中,预测控制(Model Predictive Control,简称MPC)是一种先进的控制策略,广泛应用于各种领域,如化工过程控制、电力系统调度、交通流控制等。
预测控制通过建立一个数学模型来预测系统的未来行为,并根据这些预测结果制定最优的控制策略,从而实现对系统的稳定控制和优化控制。
本文将深入探讨预测控制在控制系统中的应用和实践。
预测控制的基本原理预测控制的基本原理是通过建立系统的动态模型来预测系统未来的状态,并通过优化方法来选择最优的控制策略,从而实现对系统的控制。
在预测控制中,通常会使用离散时间模型和最小化目标函数的方法来进行优化。
离散时间模型在预测控制中,系统的动态行为通常被建模为离散时间模型。
离散时间模型将系统的状态从连续时间转换为离散时间,并将系统的输入和输出表示为离散的时间序列。
通过建立离散时间模型,可以方便地对系统进行预测和优化控制。
目标函数优化在预测控制中,通常会使用目标函数来表示系统的性能指标,并通过优化目标函数来选择最优的控制策略。
目标函数可以包含多个变量,如系统的状态误差、控制输入的变化率等。
通过最小化目标函数,可以选择最优的控制策略,以达到稳定控制和优化控制的目标。
预测控制的应用领域化工过程控制在化工过程中,预测控制可以实现对化工过程的温度、压力、流量等参数的控制。
通过建立化工过程的动态模型,并结合优化算法,可以选择最优的控制策略来实现化工过程的稳定控制和优化控制。
预测控制在化工过程中的应用可以提高生产效率、减少能源消耗,同时减少人工干预,提高安全性。
电力系统调度在电力系统调度中,预测控制可以实现对电力系统的电压、频率、机组出力等参数的控制。
通过建立电力系统的动态模型,并结合市场需求和优化算法,可以选择最优的发电机出力和输电功率分配策略,以实现电力系统的稳定运行和经济运行。
预测控制在电力系统调度中的应用可以提高供电可靠性,降低运行成本,同时优化电力资源的利用。
预测控制
预测控制是以某种模型为基础, 利用过去的输入输出数
据来预测将来某段时间内的输出, 再通过具有控制约束和预
测误差的二次目标函数的极小化, 得到当前和未来几个采样
时刻的最优控制规律, 在下一采样周期, 利用最新数据, 重
复上述优化计算过程.
预测控制的结构可用下图表示,
(3)滚动优化. 预测控制是一种闭环优化控制算法. 它通过某一性能指标的最优化来确定未来的控制作用. 预测控制中的优化与通常的离散最优化控制算法不同, 它不采用一个不变的全局最优目标, 而是采用滚动式的 有限时域优化策略, 优化过程不是一次离线完成, 而是 反复在线进行. 即在每一采样时刻, 优化性能指标只涉 及从该时刻起到未来一段有限的时间, 而到下一个采样 时刻, 这一优化时段会同时向前推移. 因此, 预测控制 不是用一个对全局相同的性能指标, 而是在每一个不同 的时刻有一个相对于该时刻的局部优化性能指标. 不同 时刻优化性能指标的形式相同, 但其所包含的时间区域 不同. 这就是滚动优化的含义. 这种局部的有限时域的 优化目标, 只能得到全局的次优解.
观察过程在不同控制策略下的输出变化, 为比较这些控 制策略的优劣提供了基础.
(2)反馈校正. 在预测控制中, 采用预测模型进行 过程输出值的预估只是一种理想的方式, 对于实际过程 由于存在非线性﹑时变﹑模型失配和干扰等不确定因素 使基于模型的预测不可能准确地与实际相符. 因此在预 测控制中, 通过输出的测量值与模型的预估值进行比较 得出模型的预测误差, 再利用模型的预测误差来校正模 型的预测值, 以得到更为准确的将来输出的预测值. 模 型预测加反馈校正, 使预测控制具有很强的抗干扰和克 服系统不确定性的能力. 预测控制是一种闭环优化控制 算法.
预测控制
预测控制从七十年代中期提出至今,一直是控制界的一个研究热点,不断发展,先后出现了模型算法控制(MAC)、动态矩阵控制(DMC)和广义预测控制(GPC)等几十种,且在实际复杂工业过程控制中得到了成功应用。
对于大滞后的被控过程,预测控制是一种非常有效的控制方法,因为预测控制不是根据被调量的当时值进行控制的,而是根据被调量在未来一段时间内的预测值进行控制的,因此,控制作用可以提前一段时间动作,这对大滞后被控过程的控制是至关重要的。
预测控制基本原理由于各类预测控制方法在预测模型假定或设计思想上存在某些差异,从而使相应的控制律各有不同的特点,但其主要思想仍是相似的,对于一个SISO 系统可用图1来简单说明,其控制决策描述如下:1)在“当前”t 时刻对过程的未来输出进行预测,预测值ˆˆˆ{(),(1),,(1)}p yt y t y t N ++- 取决于过程t 时刻的已知信息、动态预测模型以及所假定的未来控制序列{v (t ), v (t +1), …, v (t +N u -1)};2)在所假设的不同的未来控制作用中,选择“最优”控制序列***{(),(1),,(1)}u v t v t v t N ++- ,使过程的输出预测值ˆy以“最好”的方式逼近参考轨迹y r 。
最优逼近可定义为使某一特定的目标函数最小。
对输出误差和控制增量加权的二次型性能指标(1)是目前采用最多的目标函数。
2211ˆmin (()())((1))p uN N r k k k J y t k y t k u t k λ===+-++∆+-∑∑ (1.1) 3)将“最优”控制序列中t 时刻的控制信号*()()u t v t =作用于实际过程。
在下一个采样时刻重复进行上面的计算步骤。
图1 预测控制算法原理图图2为预测控制系统原理框图。
虽然预测控制算法种类多、表现形式多种多样,但它们都具有下述三项基本特征,即:预测模型、滚动优化、反馈校正。
预测控制
(3)依次将M个控制作用都施加完,再计算一组新 的控制。
-16-
第一节 预测控制的基本原理
6.预测控制的一些优良性质
(1)对数学模型要求不高(和现代控制相比) (2)能处理纯滞后过程 (3)具有良好的跟踪性能和较强的鲁棒性 (4)对模型误差具有较强的鲁棒性
-17-
第一节 预测控制的基本原理
7.预测控制的研究发展情况 (1)从1984年起,每年的美国控制年会(ACC)上 都有预测控制的专题组。 ( 2 ) 1987 年召开的第十届国际自控联( IFAC )世 界大会上,专题讨论了预测控制及其应用。1988年, IFAC 又组织了以预测控制为主题的“基于模型的过 程控制”工作讨论会。
-6-
我国预测控制的应用 (3)广州石油化工总厂连续重整装置,采用了美国西 雷公司的数据平台ONSPEC、美国Setpoint公司 的多变量预测控制软件SMCA、美国UOP公司重 整反应辛烷值的计算模型,实施辛烷值、反应器 加权平均温度、反应压力、氢/油比及进料优化 控制。 (4)扬子石化公司、上海石化公司聚丙烯装置实 施了先进控制技术:Polytech ToolKit标准软件 包、推理计算、鲁棒PID及关联计算(熔体流动指 数MI)等,投运后,获得了明显的经济效益。
i 1
N 1
上式就是稳定系统的阶跃响应模型。
-28-
第二节 预测控制中的预测模型
二、阶跃响应模型
第二节 预测控制中的预测模型
一、脉冲响应模型
当系统为稳定系统时,有 lim hi 0 ,当 i N 时, k 则( h1.2.4 i 0 )可写为
ym(k ) hiz (i 1)u (k 1)
i 1 N N
,
hiu (k i )
预测控制
hM
hM
1
hM 1 hM
hN hP1P(N1)
hP hP 1
H1
U1(k)
0
hPM 2
H2
u(k )
h1
h1 h2
u
u (k
(k
M
1)
1)
P M 1 hi
i 1
PM
U2(k)
2 反馈校正
修正后的输出预估值为:
y P ( k j) y m ( k j)j[y ( k ) y m ( k )]
过去 w
y (t)
未来 yr (t)
y p (t)
u (t )
k k 1
kP t T
在线滚动的实现方式
预测控制中,通过求解优化问题,可得到现时刻所 确定的一组最优控制{u(k),u(k+1),…,u(k+M-1)}, 其中M为控制的时域长度。
对过程施加这组控制作用的方式有:
在现时刻k,只施加第一个控制作用u(k);下一时刻,根 据采集到的过程输出,重新计算一组最优控制序列,仍 只施加新控制序列的第一个;
P步预测的向量形式
ym(k1) u(k)
ym(k2)
u(k1)
u(k1) u(k)
u(k2) u(k1)
Ym(k) ym(kM ) u(kM1) u(kM2) u(kM3)
ym(kM1)u(kM1) u(kM1) u(kM2)
ym(kP) u(kM1) u(kM1) u(kM1) u(kM2)
主要优点:
1. 无需降低其模型阶数。 2. 可正确地直接进行处理。 3. 闭环响应对于受控对象的变化具有鲁棒性。 4. 内部模型的在线更新,可以实现增益预调整。 5. 可以简化硬件条件。 6. 可以采用不同的采样周期。 7. 可以在线修改控制规则。
预测控制的基本原理
预测控制的基本原理
预测控制的基本原理:
①预测控制理论核心在于利用数学模型对未来一段时间内系统行为进行预测并据此制定最优控制策略;
②过程开始于建立被控对象动态模型该模型需准确反映输入变量与输出响应之间关系以便于仿真计算;
③在线性场合常采用传递函数或者状态空间表达式描述非线性系统则倾向于使用神经网络支持向量机等智能方法逼近;
④模型建立完毕之后需要收集历史数据作为初始条件并不断用最新测量值更新确保预测结果紧跟实际情况变化;
⑤基于当前状态与期望目标定义性能指标函数衡量控制效果好坏该函数综合考虑了跟踪误差能量消耗等因素;
⑥利用优化算法求解在满足约束条件前提下使性能指标最小化或者最大化得到未来一段时间内的最佳控制序列;
⑦由于未来充满不确定性预测模型不可避免地会存在偏差因此需要引入反馈校正机制定期调整控制量;
⑧实际应用中预测控制广泛应用于工业过程控制交通物流管理等领域帮助决策者提前应对潜在问题;
⑨举例来说在智能电网调度中预测发电负荷可以帮助调度中心合理分配资源减少浪费;
⑩另一个典型例子是自动驾驶汽车中路径规划系统通过预测前方路况选择最安全快捷行驶路线;
⑪不断迭代更新预测结果与控制命令确保系统始终处于最佳运行状态即使面对突发状况也能从容应对;
⑫总之预测控制作为一种前瞻性决策支持工具正日益成为复杂动态环境下实现高效智能管理不可或缺的一部分。
课件--模型预测控制
h1
h1
h2
PM 1
hi
i1
PM
第三节 模型算法控制(MAC) 二. 反馈校正
以当前过程输出测量值与模型计算值之差修正模型预测值
yP (k j) ym (k j) jy(k) ym (k)
N
ym (k) hiu(k i) i 1
对于P步预测
j 1, 2, , P
YP (k) Ym (k) βe(k)
主要内容 预测模型 反馈校正 参考轨迹 滚动优化
第四节 动态矩阵控制(DMC) 一. 预测模型
DMC的预测模型
渐近稳定线性被控对象的单位阶跃响应曲线
和给定值的偏差来确定当前的控制输入 预测控制:不仅利用当前的和过去的偏差值,
而且还利用预测模型来预测过程未来的偏差值。 以滚动优化确定当前的最优控制策略,使未来 一段时间内被控变量与期望值偏差最小 从基本思想看,预测控制优于PID控制
第二节 预测控制的基本原理
r(k)
+_
d(k)
在线优化 控制器
u(k)
y(k) 受控过程
+ y(k+j| k)
+
模型输出 反馈校正
动态 预测模型
y(k|k)
_ +
三要素:预测模型 滚动优化 反馈校正
第二节 预测控制的基本原理 一.预测模型(内部模型)
预测模型的功能 根据被控对象的历史信息{ u(k - j), y(k - j) |
j≥1 }和未来输入{ u(k + j - 1) | j =1, …, m} ,预测 系统未来响应{ y(k + j) | j =1, …, p} 预测模型形式 参数模型:如微分方程、差分方程 非参数模型:如脉冲响应、阶跃响应
3.2 预测控制
ym (k + 2 ) = a1∆u (k + 1) + a2 ∆u (k ) + ym 0 (k + 2 )
y m (k + 3 ) = y m (k + 2 ) +
∑g
j =1
N
j
∆ u (k + 3 − j )
N
= a1 ∆ u (k + 1 ) + a 2 ∆ u (k ) + y m 0 (k + 2 ) + g 1 ∆ u (k + 2 ) + g 2 ∆ u (k + 1 ) + g 3 ∆ u (k ) +
u * (t ) u (k )
0 Ts t
y (t ) = u (k )g (t )
LDTIS
y * (t )
y (t )
NT s t
0 Ts
3Ts
y1 = u (k )g1 , y 2 = u (k )g 2 , ⋯ , y N = u (k )g N ,
实际系统的输入为一序列间隔为采样周期的脉冲信 时刻的输出为之前的输入脉冲响应的叠加。 号,其k时刻的输出为之前的输入脉冲响应的叠加。 LDTIS k-N时刻之前的输入脉冲 响应在k时刻已经为0 响应在k时刻已经为0。
y
反馈校正
−
ym
ysp
yr
0
t
当前 过去 未来
y1 (k+j|k) y2 (k+j|k)
y(k-j)
预测时域
u1 (k+j|k) u2 (k+j|k) u(k-j)
控制时域
k-j
k
k+m
第九章 预测控制
9.2.3 预测控制算法---参考轨迹 预测控制算法---参考轨迹
控制算法是找到一组能满足性能指标的 控制作用,使选定的目标函数最优。
控制作用
U ( k ) = [u ( k ), u ( k + 1),L , u ( k + L )]
T
控制步长
二次型目 标函数
预测步长:优化所顾及的时段
J =
ω i [ y p ( k + i ) − y r ( k + i )]2 ∑
9.2.2 预测控制算法---预测模型 预测控制算法---预测模型
常用模型:脉冲响应模型、阶跃响应模型、可控自回归滑动平均模 型(CARMA)、可控自回归积分滑动平均模型(CARIMA)等。
设线性多变量系统的离散模型描述为: 输出 输入 干扰量
A(q −1 )Y (k ) = B(q −1 )U (k − 1) + W (k )
N 1 ˆ u (k ) = [ yr (k + 1) − ∑ h j u (k + 1 − j ) − y (k ) + ym (k )] ˆ h j =2 1
9.2.5 预测控制---控制算法 预测控制---控制算法
预测长度P、控制长度L等参数的选取会对算法性能产生影响 1)预测长度P要求必须覆盖整个响应曲线的主要部分。P值大,预 测控制系统的鲁棒性越强,但动态响应变差,计算量和存储容量也 相应增大;P值大,对干扰的鲁棒性变差。通常,选取P=2L。 2)控制长度L值大,控制灵敏度高,系统稳定性和鲁棒性变差,计 算量和存储容量也相应增大;L值小,控制机动性差,控制灵敏度 差。通常,选取L在10以下。 3)控制加权矩阵R 和误差加权矩阵Q 应该同时加以考虑。R 用于 降低控制作用的波动,使控制作用平稳变化。通常,R 取较小的数 值。
预测控制
预测控制沈阳电力高等专科学校杨庆柏刊载于《辽宁电机工程科普》1998年第8期预测控制是近几年发展起来的一类新型计算机控制算法。
它适用于控制不易建立精确数学模型且比较复杂的工业生产过程。
l、预测控制的产生背景一般来说,实际工业过程常具有非线性、时变性和不确定性,且大多数工业过程是多变量的,难于建立其精确的数学模型。
因此,应用现代控制理论设计的过程控制器的控制效果。
往往还不如按经典控制理论设计的PID调节器的控制效果好。
因此,到目前为止,在工业过程中,占统治地位的仍然是经典控制理论的PID调节器。
自70年代以来。
人们除了加强对生产过程的建模、系统辩识、自适应控制等研究外。
开始打破传统控制思想的束缚,试图根据工业过程的特点,寻找各种对模型要求低、在线计算方便、控制效果好的算法。
预测控制就是在这一背景下发展起来的一种新型控制算法。
随着计算机向小型、高速、大容量、低成本方向的发展,也为这类新算法提供了物质基础。
2、预测控制的基本原理预测控制是一种新型的控制算法,目前有多种类型。
如:模型算法控制(MAC)、动态矩阵控制(DMC)、广义预测极点配置控制(GPP)、内模控制(IMC)和推理控制(IC)等。
现以MAC为例,说明预测控制的基本原理。
MAC系统主要由内部模型、反馈校正、优化计算和参考输入轨迹等几部分组成。
MAC采用基于脉冲响应的非参数模型作为内部模型(或称为预测模型),根据内部模型。
预测系统未来的输出状态,经过用预测模型输出误差进行反馈校正以后。
再与参考输入轨迹进行比较,应用二次型性能指标进行优化计算,然后再计算当前时刻加于系统的控制动作,完成整个控制循环。
这种算法的基本思想是,首先预测系统未来的输出状态。
再去确定当前时刻的控制动作,即先预测后控制。
所以具有预见性。
它明显优于先有信息反馈、再有产生控制动作的经典反馈控制系统。
3、预测控制的基本特点(1)建立预测模型方便,用来描述过程动态行为的预测模型可以通过简单的实验得到,不需要深人地了解过程的内部机理。
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g11=poly2tfd(12.8,[16.7,1],0,1);%POL Y2TFD Create transfer functions in 3 row representation将通用的传递函数模型转换为MPC传递函数模型% g = poly2tfd(num,den,delt,delay)% POL Y2TFD creates a MPC toolbox transfer function in following format:%g为对象MPC传递函数模型% g = [ b0 b1 b2 ... ] (numerator coefficients)% | a0 a1 a2 ... | (denominator coefficients)% [ delt delay 0 ... ] (only first 2 elements used in this row)%% Inputs:% num : Coefficients of the transfer function numerator.% den : Coefficients of the transfer function denominator.% delt : Sampling time. Can be 0 (for continuous-time system)% or > 0 (for discrete-time system). Default is 0.% delay : Pure time delay (dead time). Can be >= 0.% If omitted or empty, set to zero.% For discrete-time systems, enter as PERIODS of pure% delay (an integer). Otherwise enter in time units.g21=poly2tfd(6.6,[10.9,1],0,7);g12=poly2tfd(-18.9,[21.0,1],0,3);g22=poly2tfd(-19.4,[14.4,1],0,3);delt=3;ny=2;tfinal=90;model=tfd2step(tfinal,delt,ny,g11,g21,g12,g22)%对于这个例子,N=90/3=30figure(3)plot(model)%TFD2STEP Determines the step response model of a transfer function model.传递函数模型转换成阶跃响应模型% plant = tfd2step(tfinal, delt2, nout, g1)% plant = tfd2step(tfinal, delt2, nout, g1, ..., g25)% The transfer function model can be continuous or discrete.%% Inputs:% tfinal: truncation time for step response model.% delt2: desired sampling interval for step response model.% nout: output stability indicator. For stable systems, this% argument is set equal to number of outputs, ny.% For systems with one or more integrating outputs,% this argument is a column vector of length ny with% nout(i)=0 indicating an integrating output and% nout(i)=1 indicating a stable output.% g1, g2,...: SISO transfer function described above ordered% to be read in columnwise (by input). The number of % transfer functions required is ny*nu. (nu=number of % inputs). Limited to ny*nu <= 25.%% Output:% plant: step response coefficient matrix in MPC step format. plant=model;P=6;M=2;ywt=[];uwt=[1 1];Kmpc=mpccon(model,ywt,uwt,M,P)%ywt,uwt : 相当于Q,R%MPCCON Calculate MPC controller gains for unconstrained case.% Kmpc = mpccon(model,ywt,uwt,M,P)% MPCCON uses a step-response model of the process.% Inputs:% model : Step response coefficient matrix of model.% ywt,uwt : matrices of constant or time-varying weights.相当于Q,R% If the trajectory is too short, they are kept constant% for the remaining time steps.% M : number of input moves and blocking specification. If% M contains only one element it is the input horizon% length. If M contains more than one element% then each element specifies blocking intervals.% P : output (prediction) horizon length. P = Inf indicates the% infinite horizon.%% Output:% Kmpc : Controller gain matrixtend=30;r=[0 1];[y,u]=mpcsim(plant,model,Kmpc,tend,r);%plan为开环对象的实际阶跃响应模型%model为辨识得到的开环阶跃响应模型%Kmpc相当于D阵%Tend仿真的结束时间.%R输出设定值和参考轨迹%r=[r1(1) r2(1)...rny(1);r1(2) r2(2)....rny(2);... r1(N) r2(N) ...rny(N)]%y:控制输出%u:控制变量%ym:模型预测输出%MPCSIM Simulation of the unconstrained Model Predictive Controller.% [y,u,ym] = mpcsim(plant, model, Kmpc, tend, r,usat, tfilter,% dplant, dmodel, dstep)% REQUIRED INPUTS:% plant(model): the step response coefficient matrix of the plant (model)% generated by the function tfd2step% Kmpc: the constant control law matrix computed by the function mpccon% (closed-loop simulations).For open-loop simulation, controller=[].% tend: final time of simulation.% r: for the closed-loop simulation, it is a constant or time-varying% reference trajectory. For the open-loop simulation, it is the% trajectory of the manipulated variable u.% OPTIONAL INPUTS:% usat: the matrix of manipulated variable constraints.It is a constant% or time-varying trajectory of the lower limits (Ulow), upper limits% (Uhigh) and rate of change limits (DelU) on the manipulated % variables. Default=[].% tfilter: time constants for noise filter and unmeasured disturbance lags.% Default is no filtering and step disturbance.% dplant: step response coefficient matrix for the disturbance effect on the% plant output generated by the function tfd2step. If distplant is% provided, dstep is also required. Default = [].% dmodel: step response coefficient matrix for the measured disturbance% effect on the model output generated by the function tfd2step.% If distmodel is provided, dstep is also required. Default=[].% dstep: matrix of disturbances to the plant. For output step disturbances% it is a constant or time-varying trajectory of disturbance values% For disturbances through step response models,it is a constant or% time-varying trajectory of disturbance model inputs.Default=[].% OUTPUT ARGUMENTS: y (system response), u (manipulated variable) and% ym (model response)plotall(y,u,delt)figure(2)plot(y,'*')南通大学毕业设计(论文)任务书题目锅炉液位系统的DMC-PID控制学生姓名朱养兵学院电气工程学院专业自动化班级自051学号0512012010起讫日期2009.2 -2009.6指导教师李俊红职称讲师发任务书日期2009 年2 月18 日●MATLAB 软件●JX-300X组态监控软件●浙大中控DCS●上海齐鑫公司过程控制对象●PC机。