预测控制算法的研究现状与展望
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第３ ３卷
第ｌ １期
湖 北 广 播 电 视 大 掌 掌 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈｕ Ｂｅ ｉ ＴＶ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｖ ｏ １ ． ３ ３ ， Ｎｏ ． １ １
Ｎｏｖ ｅｍｂｅ ￣ ２０１ ３ ．１ ５ ７～ １ ５８
２ 性 。 ２ ． ２动态矩 阵控制
种基 于对象 阶跃 响应预测模型 、 采用 多步滚动优化与反馈 校正相 结合 的优化 控制算法 。Ｄ ＭＣ的预测模型是根据对象 的阶跃响应 而获得 的，然后根 据线 性系统 的 比例与 叠加性 质， 利用这一模型 由给定 的输入控 制增量来预测系统在未来 时刻 的输入量 ，是一种增量算法 。能直 接处理带有纯滞后 的 对象 ， 有 良好的跟踪性能，该算法 比较 简单且并不需要精确 的数学模 型，计算量较 少，对模 型失配有较强 的鲁棒性 ，适 用于具有纯滞 后或 非最小相位的情况 。 ２ ． ３鲁棒预测控制 鲁棒 预测控 制是 当使用线 性参考模 型 的预 测控制 理论 在 非 线性 控制 过 程 中 的应 用受 到 质 疑 的情 况下 诞 生 的 。 ＭＰ Ｃ 鲁 棒性 问题 的研 究分 为鲁棒 分析 和鲁 棒综 合两个 方 面 ，其 中，鲁棒性 分析主要是基于 Ｉ ＭＣ框 架、输入输 出描 述框架 以及状态 空间框 架； 鲁棒综合 问题则 建立 在被控对象 模型不确 定性 描述 基础 上 。目前大多数鲁棒 ＭＰ Ｃ的设计都 是基于 ｍｉ ｎ ． ｍａ ｘ描述 ，具有 控制 的思想 ，将 ＭＰ Ｃ 在线约 束的 ｍｉ ｎ优化 问题转化为 ｍｉ ｎ ． ｍａ ｘ优 化，求解 控制律使系 统在不确定性 最坏情 况下的 目标 函数值最 小。 ２ ． ４内模控制 内模控制 （ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ Ｍｏ ｄ ｅ １ Ｃ ｏ ｎ ｒ ｔ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ，Ｉ ＭＣ）首次被提 出是在 １ ９ ８ ２年 ，是一种基于过程数学模 型进行 控制器设计 的新 型控制策 略 。内模 控制器 由控制器 和滤波 器两部分 组 成， 两者对系统 的作用相 对独立 ， 前者影响系统 的响应性 能， 后者影 响系统的鲁棒性 。Ｉ ＭＣ 设计 简单、跟踪性 能好、鲁 棒性强 ，能消 除不 可测 干扰的影响，一直为控制界所重视 。 内模控 制具有 的通用 结构使系 统 闭环特 性 的分 析变得 更加 简便容易 的工具 。 内模控制和预测控制 的结合使 内模 控制不 断得到改进并广泛应用 于工程实际 中， 取得 了较好 的控制效
１ ．预测 控制理论 与应用 １ ． １ 理 论研究 近年来 ， 对 预测控制理论 的研 究主要对 已有预测控制 算 法 进行鲁棒性与稳定 性的理论方面 的分析 ， 根据分析来提 出 了一些新 的算法 。 在 鲁棒性分析存在着 一定建模误差 时，学 者 对其进行 了深入 的研 究与探讨 ， 但 是定量描述 的具有 实质 性 的领 域方面研 究成 果较 少 。 关于 预测控 制中的跟踪性 能与 抗 干扰性能方面 的研 究，通过分析 与探 讨，最后有 了一 定的 成 果，但是仍需要对 其进 行更高层 次的研 究 。 关于影 响预测 控 制的因素 ， 尤其是 设计参数对鲁棒性 、稳定性等 的影 响方 面 ，还 存在研究不够深入 的问题 。除此之外 ，在对模型和对 象 匹配的稳定性方面 的分析上， 当模 型参数未知时 的稳定性 的研究并没有较 多成 功的研究结果 。 １ ． ２应用研 究 十几年来 ， 预测控 制作为一种新颖 的控 制方法 ， 在其算 法 不断改进和理论不 断完善的 同时， 也取得 了成功 的应用 实 例 。目前预 测控制发展 为可应 用于非线性 、时变 、多变量 的 多种 新型预测控制技术 ， 并在各个领域 中获得 了较大规模 的 成 功应用 。 如空天 飞行器再入制导 的预测控 制、机器人非线 性连 续预测控制 、 再热汽 温解棍预测控制 、原油减压蒸馏塔 侧 线温 度多变量预测控 制、 混合约束 过程的多变量协调预测 控 制、液位系统 的多模 型广义预测控制研 究、罗非鱼真空冷 冻干燥 温度的智 能预测控制 等等 ， 都体现 了预测控制算法在 实际应用中 的优势 ， 使 系统 得到 了良好 的改善 ， 节 省 了能源 ， 动态矩 阵控制 （ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｍａ ｔ ｒ ｉ ｘ ｃ ｏ ｎ ｒ ｔ ｏ ｌ ，ＤＭＣ）算法是
预测控制算法的研究现状与展望
侯 宁
（ 无锡 市 广播 电视 大学 ，江 苏 无锡 ２ １ ４ ０ １ １ ）
［ 内容提要］ 预测控制是 一种 新型的控制算法 ，该算 法最 早是在 ２ ０世纪 ７ ０年代 由 Ｒ ｉ ｃ ｈ ａ ｌ ｅ ｔ ． Ｊ在其论文著作 中提 出。随着 控制技术的不断 发展 以及 学者 的不 断研 究与应用 ，如今预测控制 的相关研 究已经 逐渐趋近于成熟 。 通过对预测控 制的发展和预测控制 算法 的现状进行探讨 ， 主要包括理论研究与应用研 究的分析、 算法分析等 内容。 阐述 了当前预 测控制在工业控制领 域中的发展 、算法 的现 状和今后 的研究展望 。 ［ 关键 词］ 预测控制 ；算法 ；非线性 ［ 中图分类号］ Ｔ Ｍ７ ４ ［ 文献标识码］ Ａ ［ 文 章编号］ １ ０ ０ ８ ． ７ ４ ２ ７（ ２ ０ １ ３ ）１ １ － ０ １ ５ ７ ． ０ ２
提 高了效率 ，也 为企业 带来了巨大的利润 。 ２ ．预测控 制的研究现状与算法 ２ ． １ 模 型预测 控制 模 型预测控制 （ ｍｏ ｄ ｅ １ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ，ＭＰ Ｃ）是一种 基 于模型的 闭环优化控制策 略， 较广泛地应用 于工业生产过 程 中。其算法 的核心 是：采用基于脉冲 响应的非参数模型作 为内部模型 （ 预测模 型 ） ，不需知道对象 结构和参数 的有关 先验 知识 ， 也无 需复 杂的系统辨识 ， 在 线滚动优化使未来～ 段 时间 内被控量与期望轨迹 间的误差晟小 ， 且在优化过程 中 不断进行 实测系统输 出与 预测模 型的误差来进行 反馈校 正 ， 所 以能够克服预测模 型误 差和 不确定性干扰 的影 响， 增强系
第ｌ １期
湖 北 广 播 电 视 大 掌 掌 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈｕ Ｂｅ ｉ ＴＶ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｖ ｏ １ ． ３ ３ ， Ｎｏ ． １ １
Ｎｏｖ ｅｍｂｅ ￣ ２０１ ３ ．１ ５ ７～ １ ５８
２ 性 。 ２ ． ２动态矩 阵控制
种基 于对象 阶跃 响应预测模型 、 采用 多步滚动优化与反馈 校正相 结合 的优化 控制算法 。Ｄ ＭＣ的预测模型是根据对象 的阶跃响应 而获得 的，然后根 据线 性系统 的 比例与 叠加性 质， 利用这一模型 由给定 的输入控 制增量来预测系统在未来 时刻 的输入量 ，是一种增量算法 。能直 接处理带有纯滞后 的 对象 ， 有 良好的跟踪性能，该算法 比较 简单且并不需要精确 的数学模 型，计算量较 少，对模 型失配有较强 的鲁棒性 ，适 用于具有纯滞 后或 非最小相位的情况 。 ２ ． ３鲁棒预测控制 鲁棒 预测控 制是 当使用线 性参考模 型 的预 测控制 理论 在 非 线性 控制 过 程 中 的应 用受 到 质 疑 的情 况下 诞 生 的 。 ＭＰ Ｃ 鲁 棒性 问题 的研 究分 为鲁棒 分析 和鲁 棒综 合两个 方 面 ，其 中，鲁棒性 分析主要是基于 Ｉ ＭＣ框 架、输入输 出描 述框架 以及状态 空间框 架； 鲁棒综合 问题则 建立 在被控对象 模型不确 定性 描述 基础 上 。目前大多数鲁棒 ＭＰ Ｃ的设计都 是基于 ｍｉ ｎ ． ｍａ ｘ描述 ，具有 控制 的思想 ，将 ＭＰ Ｃ 在线约 束的 ｍｉ ｎ优化 问题转化为 ｍｉ ｎ ． ｍａ ｘ优 化，求解 控制律使系 统在不确定性 最坏情 况下的 目标 函数值最 小。 ２ ． ４内模控制 内模控制 （ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ Ｍｏ ｄ ｅ １ Ｃ ｏ ｎ ｒ ｔ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ，Ｉ ＭＣ）首次被提 出是在 １ ９ ８ ２年 ，是一种基于过程数学模 型进行 控制器设计 的新 型控制策 略 。内模 控制器 由控制器 和滤波 器两部分 组 成， 两者对系统 的作用相 对独立 ， 前者影响系统 的响应性 能， 后者影 响系统的鲁棒性 。Ｉ ＭＣ 设计 简单、跟踪性 能好、鲁 棒性强 ，能消 除不 可测 干扰的影响，一直为控制界所重视 。 内模控 制具有 的通用 结构使系 统 闭环特 性 的分 析变得 更加 简便容易 的工具 。 内模控制和预测控制 的结合使 内模 控制不 断得到改进并广泛应用 于工程实际 中， 取得 了较好 的控制效
１ ．预测 控制理论 与应用 １ ． １ 理 论研究 近年来 ， 对 预测控制理论 的研 究主要对 已有预测控制 算 法 进行鲁棒性与稳定 性的理论方面 的分析 ， 根据分析来提 出 了一些新 的算法 。 在 鲁棒性分析存在着 一定建模误差 时，学 者 对其进行 了深入 的研 究与探讨 ， 但 是定量描述 的具有 实质 性 的领 域方面研 究成 果较 少 。 关于 预测控 制中的跟踪性 能与 抗 干扰性能方面 的研 究，通过分析 与探 讨，最后有 了一 定的 成 果，但是仍需要对 其进 行更高层 次的研 究 。 关于影 响预测 控 制的因素 ， 尤其是 设计参数对鲁棒性 、稳定性等 的影 响方 面 ，还 存在研究不够深入 的问题 。除此之外 ，在对模型和对 象 匹配的稳定性方面 的分析上， 当模 型参数未知时 的稳定性 的研究并没有较 多成 功的研究结果 。 １ ． ２应用研 究 十几年来 ， 预测控 制作为一种新颖 的控 制方法 ， 在其算 法 不断改进和理论不 断完善的 同时， 也取得 了成功 的应用 实 例 。目前预 测控制发展 为可应 用于非线性 、时变 、多变量 的 多种 新型预测控制技术 ， 并在各个领域 中获得 了较大规模 的 成 功应用 。 如空天 飞行器再入制导 的预测控 制、机器人非线 性连 续预测控制 、 再热汽 温解棍预测控制 、原油减压蒸馏塔 侧 线温 度多变量预测控 制、 混合约束 过程的多变量协调预测 控 制、液位系统 的多模 型广义预测控制研 究、罗非鱼真空冷 冻干燥 温度的智 能预测控制 等等 ， 都体现 了预测控制算法在 实际应用中 的优势 ， 使 系统 得到 了良好 的改善 ， 节 省 了能源 ， 动态矩 阵控制 （ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｍａ ｔ ｒ ｉ ｘ ｃ ｏ ｎ ｒ ｔ ｏ ｌ ，ＤＭＣ）算法是
预测控制算法的研究现状与展望
侯 宁
（ 无锡 市 广播 电视 大学 ，江 苏 无锡 ２ １ ４ ０ １ １ ）
［ 内容提要］ 预测控制是 一种 新型的控制算法 ，该算 法最 早是在 ２ ０世纪 ７ ０年代 由 Ｒ ｉ ｃ ｈ ａ ｌ ｅ ｔ ． Ｊ在其论文著作 中提 出。随着 控制技术的不断 发展 以及 学者 的不 断研 究与应用 ，如今预测控制 的相关研 究已经 逐渐趋近于成熟 。 通过对预测控 制的发展和预测控制 算法 的现状进行探讨 ， 主要包括理论研究与应用研 究的分析、 算法分析等 内容。 阐述 了当前预 测控制在工业控制领 域中的发展 、算法 的现 状和今后 的研究展望 。 ［ 关键 词］ 预测控制 ；算法 ；非线性 ［ 中图分类号］ Ｔ Ｍ７ ４ ［ 文献标识码］ Ａ ［ 文 章编号］ １ ０ ０ ８ ． ７ ４ ２ ７（ ２ ０ １ ３ ）１ １ － ０ １ ５ ７ ． ０ ２
提 高了效率 ，也 为企业 带来了巨大的利润 。 ２ ．预测控 制的研究现状与算法 ２ ． １ 模 型预测 控制 模 型预测控制 （ ｍｏ ｄ ｅ １ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ，ＭＰ Ｃ）是一种 基 于模型的 闭环优化控制策 略， 较广泛地应用 于工业生产过 程 中。其算法 的核心 是：采用基于脉冲 响应的非参数模型作 为内部模型 （ 预测模 型 ） ，不需知道对象 结构和参数 的有关 先验 知识 ， 也无 需复 杂的系统辨识 ， 在 线滚动优化使未来～ 段 时间 内被控量与期望轨迹 间的误差晟小 ， 且在优化过程 中 不断进行 实测系统输 出与 预测模 型的误差来进行 反馈校 正 ， 所 以能够克服预测模 型误 差和 不确定性干扰 的影 响， 增强系