基于误差校正的预测控制算法综述

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的深入研究和 发 展 后,不 仅 在 工 程 实 际 中 取 得 了 广 泛 的 应 用 ,其 理 论 和 方 法[5 ~ 9]也 日 臻 完 善 。
然而,由于实际被控对象中存在的非 线 性、参 数 时变、模型失 配、有 界 干 扰 等 因 素,基 于 描 述 对 象 的 数学模型的预测与实际对象的输出将会存在较大的 误差,这种不可 避 免 的 模 型 误 差 势 必 降 低 系 统 的 控 制精度和鲁棒性,甚至导致系统的不 稳 定。 所 以,这 就需要用附加 的 预 测 手 段 补 充 模 型 预 测 的 不 足,或 者 对 对 象 模 型 进 行 在 线 修 正[10]。 但 即 使 对 于 广 义 预测控制算法,尽 管 进 行 在 线 辨 识 修 正 对 象 模 型 参 数,仍对对象降阶建模 误 差( 结 构 性 建 模 误 差 )的 鲁 棒 性 不 好 ,并 对 随 机 噪 声 干 扰 较 敏 感 。
对于 基 于 非 参 数 模 型 的 预 测 控 制( 如 MAC、 DMC),减小 预 测 误 差 的 传 统 方 法 是 采 用 反 馈 校 正 ( 或称为闭环预测),即:
Y = Ym + H(e I)
(2)
式中:Y ———系统的最优输 出 预 测 向 量;Ym ———模
型 预测向量;(e I) =
3. 2 基于神经网络误差校正的预测控制
神经网络在控制工程领域的应用具有很大潜力
和优势,特别是 神 经 网 络 能 够 通 过 输 入 输 出 数 据 进
行学习以逼近非线性函数和适应不确定性系统的动
态特性,使之成为非线性系统的建模、辨识 与 控 制 中
的非常重 要 的 技 术 与 方 法。 文 献[ 22 ]为 了 抑 制 模
差 )为 :
N
1( I) = ( z0,i - zi )U( I - i)+
Baidu Nhomakorabea
z0,i U( I - i)+ I(1 I)
i=1
i = N +1
+ I(2 I)
(1)
式中:zi ———系 统 脉 冲 响 应 序 列,i = 1,2,…,N,N 为 截 断 时 刻 ;z0,i ——— 系 统 真 实 脉 冲 响 应 序 列 ,i = 1,2,… ;U( I - i)——— I - i 时刻系统输入;I(1 I), I(2 I)——— I 时刻的系统干扰和系统观测噪声。
针 对 这 个 问 题 ,席 裕 庚[10 ~ 11]提 出“ 引 入 误 差 预 测,构成以误差 预 测 补 充 模 型 预 测 的 多 层 次 的 综 合 预 测 ”的 思 想 。 其 中 ,模 型 预 测 反 映 了 预 测 模 型 所 描 述的确定的动 态 因 果 关 系,而 误 差 预 测 则 描 述 了 在 预测模型中未 能 包 含 的 一 切 不 确 定 性 信 息,可 以 归 结为基于一系列过去的误差信息采用因果或非因果 的方式预报未 来 的 误 差,它 作 为 模 型 预 测 的 重 要 补 充,可以弥补在 对 象 模 型 中 已 简 化 或 无 法 加 以 考 虑 的一切其它因素。这在 MAC、DMC 最初提出 时 就 已 有所表现,即所谓模型预测与误差预测的 结 合,但 它 们只是对误差 预 测 采 取 了 简 单 的 启 发 式 方 法,即 将 来时刻的预 测 误 差 等 于 当 前 时 刻 的 误 差。 而 且,如 果我们对引起 误 差 的 原 因 有 某 些 先 验 知 识,则 可 对 误 差 预 测 再 作 分 解 ,以 形 成 多 层 次 的 综 合 预 测 。
建模动态 ( t)、有界 干 扰 i( t)等 ),提 出 了 一 种 鲁
棒参数自适应 算 法,并 将 这 种 算 法 与 广 义 预 测 控 制
相结合,提出一 种 鲁 棒 间 接 自 适 应 广 义 预 测 控 制 算
法 ,并 进 行 了 算 法 的 闭 环 系 统 鲁 棒 稳 定 性 证 明 。
使得这种校正作用有限。 值得 注 意 的 是 ,在 广 义 预 测 控 制 算 法( GPC )[14]
推导过程中,虽然没有明显给出反馈或闭 环 的 表 示,
但它在进行滚 动 优 化 时,强 调 了 优 化 的 基 点 与 实 际
系统相一致。这意味着在控制的每一步都要检测实
际输出并与预 测 值 比 较,并 以 此 修 正 预 测 的 不 确 定
未来误差的预测:
y(e t + I / t) = P(TI t)9^ (I t) ( I = 1 ,2 ,… ,N)
(7)
将得到模型误差的预测值对系统的预测输出修
正后,提出了一 种 鲁 棒 性 较 强 的 新 的 广 义 预 测 控 制
算法。
文献[21 ]针 对 对 象 的 不 确 定 性 干 扰 ( t)( 未
综述与评论
化工自动化及仪表,2005,32(2):1 ~ 4 COntrOI and Instruments in ChemicaI Industry
基于误差校正的预测控制算法综述
庞 中 华 ,金 元 郁
( 青岛科技大学 自动化学院,山东 青岛 266042 )
摘要: 在分析了模型预测误差的来源后,对近 20 年 来 典 型 的 基 于 误 差 校 正 的 预 测 控 制 算 法 作 了 较 全 面 的 回 顾 ,分 析 各 种 方 法 的 研 究 现 状 及 其 成 功 应 用 的 实 例 。
由式(1)可以看出,开 环 预 测 误 差 1( I)由 以 下
四部分组成:
(1)模 型 不 准 确( zi - zi )U( I - i)。
N
z0,i )带 来 的 偏 差 ( z0,i i=1
(2 )脉 冲 响 应 模 型 截 断 误 差 z0,i U( I - i)。 i = N +1
(3)系统干扰作用 I(1 I)。 (4)系统观测噪声 I(2 I)。 其中截断误差、观测噪声一般数值较 小,可 以 忽 略 ,因 此 1( I)主 要 由 模 型 误 差 和 系 统 干 扰[13]引 起 。
的负担,而且还 可 以 使 得 算 法 对 模 型 失 配 具 有 较 强
的抑制 能 力,增 强 了 广 义 预 测 控 制 的 鲁 棒 性。但 BP
网络的训练算 法 速 度 较 慢,当 工 况 发 生 变 化 时 不 能
很快地适应 环 境,在 实 时 控 制 中 难 以 实 际 应 用。 基
于此,文献[23]利 用 一 种 权 值 可 以 在 线 调 整 的 动 态
与现有的最优状态反馈控制和传统的模型算法控制
进行了比较,仿真结果表明:该算法在系统 存 在 干 扰
和系统特性发生变化时能够较好地预测模型误差,
从而表现 出 良 好 的 稳 定 性 和 鲁 棒 性。 文 献[ 16 ]将
这种误差预测方法引 入 动 态 矩 阵 控 制( DMC ),并 将 其 应 用 于 锅 炉 燃 烧 系 统 热 负 荷 调 节 的 控 制 中[17]。
^
(3)推出模型误差 的 预 测 值 i( I + i / I) ( i = 1,2, …,p)。用 i(^ I + i / I)代替式(2)中 hi(e I),即可得 到最优输出预测向量 Yp ,最终推 出 一 种 基 于 预 测 误 差校正的 预 测 控 制 算 法。 文 献[ 12 ]中 还 将 该 算 法
自预测控制 算 法 出 现 后,国 内 众 多 学 者 对 模 型 误差预测作了 深 入 的 研 究,提 出 了 多 种 基 于 预 测 误
差校正的预测控制算法。本文将简要概述这种算法
的研究现状。 # " 预 测 控 制 的 模 型 误 差 问 题 分 析[12]
模型算法控制( MAC),以 脉 冲 响 应 序 列 作 为 预 测模型,其开环预测误差( 实际输出值与预测输出之
的实时检测与预报,求得轮廓误差预补偿 控 制 量,对
插补输出进行动态预修正,实现闭环轮廓 控 制,以 提
高轮廓加工精度。
文 献[20]定义了离 I - 时刻最近的 I 步预测误
差:
!(I t - ) = y( t - )- y0m( t - / t - I - )
并用 AR 模型对该随机序列进行描述:
y( I)-
y

m
I
)———
I
时刻的误
差 ;H =[ z1 ,z2 ,… ,zp ]T ——— 反 馈 修 正 系 数 向 量 ,其
中 p 为 预 测 长 度 )。 一 般 地 ,取 zi = 1[a] 。但 在 实
收稿日期:2004 -12 -16( 修改稿)
·2·
化工自动化及仪表
第 32 卷
际 应用中,由于大多数工业过程存在的 i( I)表现为 一数值较大并且变化幅度也大的非平稳随机序列,
(4)
式 中 :a1 ,… ,am ;c1 ,… ,cg ——— 模 型 参 数 ;( I)———
零均值白噪声。
在实际情 况 下,由 于 式( 4 )中 模 型 参 数 未 知 且
时变,所以先利用 模 型 辨 识 方 法 递 推 估 计 ARMA 模
型( m,g)参数,而 后 根 据 最 小 方 差 预 报 原 理,计 算 最 优预测值 (l^ I + i / I) ( i = 1,2,…,p),进而由式
性。当实际系统 存 在 非 线 性、时 变、模 型 失 配、干 扰
等因素时,这种反馈就能及时修正预测值,使 优 化 建 立 在 较 准 确 的 预 测 基 础 上[15]。
3 基于误差校正的预测控制算法 3 . 1 基 于 时 间 序 列 预 测 的 预 测 控 制[12]
由 模型预测误差的来源可以看出,i( I)为一非
平 稳 随 机 序 列 ,则 :
(l I) = i( I)- i( I - 1)
(3)
式(3)为 一 平 稳 随 机 序 列,并 可 用 ARMA 模 型
( m,g)描述如下:
(l I)+ a1(l I - 1)+ … + am(l I - m) = ( I)+ c1 ( I - 1)
+ … + cg ( I - g)
关键词: 预测控制;模型预测误差;反馈校正;鲁棒性 中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1000-3932(2005)(02)-0001-04
!" 引" 言 自 70 年代中期以来出现的预测 控 制 算 法,如 模
型 算 法 控 制( MAC[1],MPHC[2]),动 态 矩 阵 控 制 ( DMC[3]),广 义 预 测 控 制( GPC[4])等 ,经 过 近 30 年
(5)
!(I t) = hI1 !(I t - 1 )+ hI2 !(I t - 2 )+ … + hIn !(I t - n)
+

I
t)
(6)
式 中 :I
=
1 ,2 ,… ,N


I
t )——— 零 均 值 白 噪 声 。
利用最小二 乘 法 递 推 估 计 误 差 模 型 参 数 9(I t)
=[ hI1 ,hI2 ,… ,hIn ]T ,则 可 根 据 误 差 模 型(6 )得 到 对
据建立误差预 测 的 小 波 网 络 动 态 补 偿 模 型,并 结 合
线性预测模型,构造了一种新的广义预测 控 制 算 法,
仿真结果表明,基 于 线 性 模 型 预 测 和 具 有 误 差 校 正
型失配的影响,在原有广义预测控制的基 础 上,利 用
预测误差 的 历 史 数 据 建 立 了 一 个 误 差 预 测 模 型 的
BP 神经 网 络,经 过 学 习 训 练 后 可 作 为 误 差 的 预 测
器,用由此得到 的 模 型 误 差 的 预 测 值 修 正 纯 基 于 系
统数学模型的 预 测 值,这 样 不 仅 降 低 建 立 数 学 模 型
BP 神经网络对模型预测误差 进 行 补 偿,提 出 一 种 对
模型预测误差具有动态补偿能力的广义预测控制算
法。由于小波 网 络 作 非 线 性 函 数 逼 近 时,性 能 优 于
同等规模的神 经 网 络,网 络 训 练 过 程 从 根 本 上 避 免
了局部最优,于是 文 献[ 24 ]利 用 预 测 误 差 的 历 史 数
文献[18]提出一种简化模型 的 DMC,并 用 基 于 时 间
序列预测的模型误差代替原模型误差对系统的滚动
优化控制进行校正。在数控机床轮廓误差控制过程
中,为了消除由伺服跟踪误差引起的合成 轨 迹 误 差,
文献[19]提 出 一 种 基 于 指 数 加 权 平 滑 模 型 的 轮 廓
误差预补偿控制方法。该方法通过对伺服跟随误差
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