本書分為基礎(chǔ)篇和漫談篇;A(chǔ)篇介紹三類經(jīng)典的啟發(fā)式預(yù)測控制算法(即模型算法控制、動(dòng)態(tài)矩陣控制、廣義預(yù)測控制)、輸入非線性系統(tǒng)的兩步法預(yù)測控制、具有穩(wěn)定性保證的預(yù)測控制綜合方法,并側(cè)重于魯棒預(yù)測控制和闡述啟發(fā)式算法與綜合方法的關(guān)系。漫談篇從多個(gè)角度、各種算法出發(fā),講述狀態(tài)可測和輸出反饋兩種情況下多胞描述模型的魯棒預(yù)測控制。對(duì)初步接觸預(yù)測控制的讀者,可通過學(xué)習(xí)基礎(chǔ)篇掌握一些學(xué)習(xí)和研究預(yù)測控制的基礎(chǔ)工具和算法。漫談篇適合于對(duì)預(yù)測控制進(jìn)行較長時(shí)間學(xué)習(xí)和研究的讀者,從中可以探索魯棒預(yù)測控制的發(fā)展規(guī)律,對(duì)魯棒預(yù)測控制還沒有解決的問題產(chǎn)生研究興趣等。
從2008年出版《預(yù)測控制的理論和方法》(機(jī)械工業(yè)出版社)以來,預(yù)測控制研究領(lǐng)域發(fā)生了很多變化,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的預(yù)測控制和分布式預(yù)測控制的設(shè)計(jì)、綜合成為研究熱點(diǎn),經(jīng)濟(jì)預(yù)測控制以及集成實(shí)時(shí)優(yōu)化的預(yù)測控制得到了廣泛的研究,在2000年前興起的具有穩(wěn)定性保證的預(yù)測控制(即預(yù)測控制綜合方法)繼續(xù)在穩(wěn)定性研究中占據(jù)主要地位,但其服務(wù)的主流模型和系統(tǒng)發(fā)生較大的轉(zhuǎn)移。但是,作者引用愛因斯坦的一句話來評(píng)價(jià):“這正像我們坐在火車?yán)镞h(yuǎn)行一樣,要是我們只低頭觀察靠近軌道的東西,那么我們似乎是在極速地向前奔馳,但當(dāng)我們注視遠(yuǎn)處的山脈時(shí),景色就變得完全不同了,哪里似乎變化得非常慢”———預(yù)測控制的基本問題也是這樣。
因此,作者還是決定修訂《預(yù)測控制的理論和方法》,以彌補(bǔ)原來的不足,并增加自己在此領(lǐng)域的新見解。2008年版是一本試圖繼承和發(fā)揚(yáng)的書,因此第1章的前4節(jié)參考了本書作者的碩士導(dǎo)師袁璞教授的專著,15節(jié)和17節(jié)則參考了博士生導(dǎo)師席裕庚教授的專著,16節(jié)采用了作者的博士論文的寫法,18節(jié)則是和博士副導(dǎo)師李少遠(yuǎn)教授合作的一篇論文,第1章剩下的努力是試圖將預(yù)測控制的諸多發(fā)展軌跡聯(lián)系起來;接下去,第2章參考了袁璞教授的專著和作者的碩士論文,第3章參考了席裕庚教授的專著,第4、5章參考了作者的博士論文等,第6章以后則更多地體現(xiàn)作者在博士畢業(yè)后的研究成果。本次修訂包含了基礎(chǔ)篇和漫談篇,它們既是關(guān)聯(lián)的又有一定的獨(dú)立性;A(chǔ)篇是對(duì)2008年版的繼承,故作者沒有刻意地改變2008年版的結(jié)構(gòu)和編排,盡量保持其原汁原味。漫談篇是新版中增加的內(nèi)容,但建立在基礎(chǔ)篇的基礎(chǔ)上。由于基礎(chǔ)篇盡量保持了原汁原味,所以漫談篇中稍微有一些重復(fù)的細(xì)節(jié),但那應(yīng)該不是主要的。
與此關(guān)聯(lián)的是,2008年以來,作者沿著魯棒預(yù)測控制的路線繼續(xù)開展輸出反饋預(yù)測控制的研究,同時(shí)系統(tǒng)地研究了以動(dòng)態(tài)矩陣控制(包括狀態(tài)空間實(shí)現(xiàn))為主的工業(yè)雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測控制和遞階工業(yè)預(yù)測控制(已出版《工業(yè)預(yù)測控制》一書),前者使得本書的“基礎(chǔ)篇”不再包含輸出反饋魯棒預(yù)測控制(2008年版第10章),后者使得對(duì)2008年版第3章(動(dòng)態(tài)矩陣控制)大大簡化后合并到第2章。由于輸出反饋魯棒預(yù)測控制研究更加復(fù)雜,作者覺得可以不放在“基礎(chǔ)篇”中,而是放在“漫談篇”中。此外,作者在基礎(chǔ)篇中還做了若干刪除、添加和修正。請讀者注意:本書同一個(gè)斜體字符在下標(biāo)時(shí)可能變?yōu)檎w,這時(shí)它所代表的物理意義和斜體字符相同。
預(yù)測控制的主要應(yīng)用對(duì)象是有約束、多變量系統(tǒng)。一般認(rèn)為預(yù)測控制是20世紀(jì)70年代后期產(chǎn)生的計(jì)算機(jī)控制算法,那時(shí)出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)矩陣控制和模型預(yù)測啟發(fā)控制受到的認(rèn)可度一直很高。但在此之前,早在20世紀(jì)70年代初期就有關(guān)于滾動(dòng)時(shí)域控制的研究。20世紀(jì)80年代,對(duì)自適應(yīng)控制的研究很熱,英國學(xué)者Clarke又適時(shí)地提出了廣義預(yù)測控制。廣義預(yù)測控制在當(dāng)時(shí)的背景下比動(dòng)態(tài)矩陣控制和模型預(yù)測啟發(fā)控制更適合理論分析。到20世紀(jì)90年代,國際上對(duì)預(yù)測控制的理論研究主要轉(zhuǎn)向預(yù)測控制綜合方法,并逐漸形成以最優(yōu)控制為理論基礎(chǔ)的具有穩(wěn)定性保證的預(yù)測控制的概略性思路。并且,綜合型預(yù)測控制的早期形式就是20世紀(jì)70年代初的那些滾動(dòng)時(shí)域控制。到目前為止,預(yù)測控制綜合方法基本上無法應(yīng)用到Ⅵ預(yù)測控制的理論與方法第2版實(shí)際工程中,原因在于它難以被完好地嵌入到遞階結(jié)構(gòu)工業(yè)預(yù)測控制的框架中———即使是雙層結(jié)構(gòu)預(yù)測控制也沒有順利地采用綜合方法。
要細(xì)致理解預(yù)測控制學(xué)術(shù)理論和工程實(shí)踐的差異,將涉及控制理論的各個(gè)方面,包括系統(tǒng)辨識(shí)、模型近似和簡化、狀態(tài)估計(jì)、模型變換等等。正是這種復(fù)雜性使得人們從不同角度對(duì)預(yù)測控制方法進(jìn)行突破。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)采用簡單的控制器,如動(dòng)態(tài)矩陣控制、模型預(yù)測啟發(fā)控制,可得到“難以琢磨”的閉環(huán)系統(tǒng);對(duì)一個(gè)系統(tǒng)采用復(fù)雜的控制器,如預(yù)測控制綜合方法,卻可得到容易分析的閉環(huán)系統(tǒng);廣義預(yù)測控制采用了不太簡單的控制器(考慮辨識(shí)在內(nèi)),得到了更加“難以琢磨”的閉環(huán)系統(tǒng),但這是自適應(yīng)控制不可避免的。預(yù)測控制的科研人員要理解各種方法的差異,深知差異的根源,采用辨證的眼光看待。對(duì)一個(gè)工程技術(shù)人員,要理解任何一種方法都不是萬能的,其成功和失敗都可有深刻的理論原因;要理解模型的選擇在預(yù)測控制實(shí)施中的重要性,不能概括為模型越準(zhǔn)確越好,還有很多的理論支撐。
感謝上海交通大學(xué)席裕庚教授、上海交通大學(xué)李少遠(yuǎn)教授、中國石油大學(xué)袁璞教授、加拿大Alberta大學(xué)黃彪教授、新加坡南洋理工大學(xué)謝利華教授對(duì)我科研工作的支持和指導(dǎo)!
博士生胡建晨、楊原青和研究生王彭軍、謝亞軍、陳橋參與了文稿校對(duì)工作。此外,著者的研究工作受到國家自然科學(xué)基金(編號(hào)61573269)和陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(編號(hào)2016JM6049)的資助,在此一并表示感謝。
由于著者水平有限,本書會(huì)有很多不盡如人意之處,衷心希望讀者給予批評(píng)指正。
著者丁寶蒼2016年10月于西安交通大學(xué)
序預(yù)測控制是20世紀(jì)70年代產(chǎn)生于工業(yè)過程控制領(lǐng)域的一類新型計(jì)算機(jī)控制算法。近30年來,預(yù)測控制理論和實(shí)踐的發(fā)展都取得了豐碩的成果,不僅成為最有代表性的先進(jìn)控制算法受到工業(yè)界的青睞,而且形成了具有滾動(dòng)優(yōu)化特色的不確定性系統(tǒng)穩(wěn)定和魯棒設(shè)計(jì)的理論體系?v觀預(yù)測控制的發(fā)展歷程,大致經(jīng)歷了這樣三個(gè)高潮階段:一是20世紀(jì)70年代以階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)為模型的工業(yè)預(yù)測控制算法,其典型算法如動(dòng)態(tài)矩陣控制等,這些算法在模型選擇和控制思路方面十分適合工業(yè)應(yīng)用的要求,因此從一開始就成為工業(yè)預(yù)測控制軟件的主體算法并得到廣泛應(yīng)用,但理論分析的困難使它們在應(yīng)用中必須融入對(duì)實(shí)際過程的了解和調(diào)試的經(jīng)驗(yàn);二是20世紀(jì)80年代由自適應(yīng)控制發(fā)展而來的廣義預(yù)測控制等自適應(yīng)預(yù)測控制算法,相對(duì)于工業(yè)預(yù)測控制算法而言,這類算法的模型和控制思路都更為控制界所熟悉,因此更適合于理論分析,由此推動(dòng)了預(yù)測控制的定量分析取得了一些新進(jìn)展,然而,對(duì)于多變量、有約束、非線性等情況,解析上的困難成為定量分析中不可逾越的障礙,從而束縛了這一方向研究的深入發(fā)展;三是20世紀(jì)90年代以來發(fā)展起來的預(yù)測控制定性綜合理論,在這一階段,人們因?yàn)槎糠治鏊龅降睦щy而轉(zhuǎn)變了研究的思路,不再束縛于研究已有算法的穩(wěn)定性,而在研究如何保證穩(wěn)定性的同時(shí)發(fā)展新的算法,這些研究可以針對(duì)最一般的對(duì)象,由于充分借鑒了最優(yōu)控制、Lyapunov分析、不變集等成熟理論和方法,使預(yù)測控制的理論研究出現(xiàn)了新的飛躍,取得了豐碩的研究成果,成為當(dāng)前預(yù)測控制研究的主流,但這些成果與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用仍存在著很大的距離。
預(yù)測控制經(jīng)過上述幾個(gè)階段的發(fā)展,已成為一個(gè)多元化的學(xué)科分支,包含了具有不同目的和不同特色的諸多發(fā)展軌跡。從全局的角度對(duì)這些發(fā)展進(jìn)行辨證的反思和總結(jié),將有助于研究者在這一領(lǐng)域中準(zhǔn)確定位、把握方向。我很高興地看到,《預(yù)測控制的理論與方法》一書,正在嘗試做出這方面的努力。該書作者丁寶蒼博士早期曾參加過預(yù)測控制的工業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目,2000年至2003年在上海交通大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間,首先研究了廣義預(yù)測控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,然后以兩步法預(yù)測控制的分析和設(shè)計(jì)為主完成了博士論文,而后又轉(zhuǎn)向研究預(yù)測控制定性綜合理論,特別是魯棒預(yù)測控制的綜合方法。盡管博士畢業(yè)后多次改變工作環(huán)境,但他始終堅(jiān)持這一方向的研究,并且取得了豐碩的成果。因此,由他撰寫的這本專著,必定能反映出他在涉足預(yù)測控制不同分支時(shí)對(duì)問題的深刻理解和豐富經(jīng)驗(yàn)。事實(shí)上,從該書的內(nèi)容和寫作風(fēng)格上我們很容易看到這一點(diǎn)。該書不僅介紹了預(yù)測控制不同發(fā)展軌跡的豐富知識(shí),可以作為很好的入門書,而且特別注重闡明基本的思路和不同研究領(lǐng)域間的相互關(guān)系,包括在每一章中以注釋和章末提示和理解給出的、只有經(jīng)過深入研究和思考才能體會(huì)到的要點(diǎn)和細(xì)節(jié)。我想,這也許是該書不同于其他預(yù)測控制書籍的最大特色,這對(duì)于預(yù)測控制的研究者無疑是大有啟發(fā)的。
Ⅳ預(yù)測控制的理論與方法第2版預(yù)測控制包含了從原理、算法到理論、策略的極其豐富的內(nèi)容。研究預(yù)測控制,不僅僅是學(xué)會(huì)一兩種算法或了解若干分析推導(dǎo)過程,而需要有廣闊的視野和知識(shí),在此基礎(chǔ)上才能領(lǐng)悟到算法和理論中的真諦。希望該書的出版能為讀者提供這樣一個(gè)平臺(tái),使讀者準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)工業(yè)預(yù)測控制、自適應(yīng)預(yù)測控制和現(xiàn)代預(yù)測控制定性綜合方法的特點(diǎn)和思路,加深領(lǐng)悟和研究能力,為推動(dòng)我國預(yù)測控制的研究和應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。
席裕庚上海交通大學(xué)
目 錄
序
前言
基 礎(chǔ) 篇
第1章 系統(tǒng)、模型與預(yù)測控制3
。豹保薄∠到y(tǒng)3
。豹保病(shù)學(xué)模型5
13 狀態(tài)空間模型與輸入輸出模型6
。豹保唱保薄顟B(tài)空間模型6
132 傳遞函數(shù)模型7
。豹保唱保场∶}沖響應(yīng)與卷積模型8
。豹保础∵B續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的離散化8
141 狀態(tài)空間模型9
。豹保椽保病∶}沖傳遞函數(shù)模型9
。豹保椽保场∶}沖響應(yīng)與卷積模型10
。豹保怠☆A(yù)測控制及其基本特征10
。豹保氮保薄≤壽E和發(fā)展歷史10
152 基本特征11
。豹保氮保场」I(yè)預(yù)測控制的“三大原理” 13
。豹保丁∪N典型的預(yù)測控制優(yōu)化問題14
。豹保丢保薄o窮時(shí)域15
。豹保丢保病∮邢迺r(shí)域:經(jīng)典預(yù)測控制15
163 有限時(shí)域:綜合型預(yù)測控制15
。豹保贰∮邢迺r(shí)域控制:采用“三大原理”的例子16
。豹保浮o窮時(shí)域控制:雙模次優(yōu)控制的例子18
。豹保釜保薄∪齻(gè)相關(guān)控制問題18
182 次優(yōu)解18
。豹保釜保场】尚行耘c穩(wěn)定性分析20
。豹保釜保础(shù)值例子21
19 從經(jīng)典預(yù)測控制到綜合型預(yù)測控制23
第2章 基于非參數(shù)化模型的預(yù)測控制26
。勃保薄∧P退惴ǹ刂圃恚玻
。勃保豹保薄∶}沖響應(yīng)模型26
。勃保豹保病∧P皖A(yù)測與反饋校正27
213 優(yōu)化控制:單入單出情形28
。勃保豹保础(yōu)化控制:多變量情形30
。勃保病∧P退惴ǹ刂浦屑s束的處理32
。勃保场(dòng)態(tài)矩陣控制原理34
。勃保唱保薄稳雴纬銮樾危常
232 單入單出情形:另一種推導(dǎo)方式37
。勃保础☆A(yù)測控制的遞階實(shí)施方式40
第3章 廣義預(yù)測控制42
。唱保薄∷惴ㄔ恚矗
311 預(yù)測模型42
。唱保豹保病G番圖方程的解法43
313 滾動(dòng)優(yōu)化45
。唱保豹保础≡诰辨識(shí)與校正47
。唱保病∫恍┗拘再|(zhì)48
33 與模型系數(shù)無關(guān)的穩(wěn)定性結(jié)論49
。唱保唱保薄V義預(yù)測控制向線性二次型問題的轉(zhuǎn)化49
。唱保唱保病》(wěn)定性證明的工具:Kleinman控制器50
。唱保唱保场∨cKleinman控制器形似的廣義預(yù)測控制律52
。唱保唱保础』冢耍欤澹椋睿恚幔羁刂破鞯膹V義預(yù)測控制的穩(wěn)定性53
。唱保唱保怠∨cAckermann關(guān)于deadbeat控制的公式的等價(jià)性54
。唱保础〖尤虢K端等式約束的廣義預(yù)測控制55
35 多變量系統(tǒng)和約束系統(tǒng)情形57
。唱保氮保薄《嘧兞繌V義預(yù)測控制57
。唱保氮保病〖s束的處理59
第4章 兩步法預(yù)測控制61
。椽保薄刹椒◤V義預(yù)測控制61
。椽保豹保薄o約束情形62
412 有輸入飽和約束情形62
。椽保病刹椒◤V義預(yù)測控制的穩(wěn)定性64
421 基于Popov定理的結(jié)論64
。椽保勃保病ふ铱刂破鲄(shù)的兩個(gè)算法66
423 實(shí)際非線性界的確定方法67
。椽保场刹椒◤V義預(yù)測控制的吸引域67
。椽保唱保薄】刂破鞯臓顟B(tài)空間描述68
432 吸引域相關(guān)穩(wěn)定性68
。椽保唱保场∥虻挠(jì)算方法70
。椽保唱保础(shù)值例子71
。椽保础刹椒顟B(tài)反饋預(yù)測控制72
45 兩步法狀態(tài)反饋預(yù)測控制的穩(wěn)定性75
。椽保丁』诎肴址(wěn)定性的兩步法狀態(tài)反饋預(yù)測控制的吸引域設(shè)計(jì)78
461 系統(tǒng)矩陣無單位圓外特征值的情形78
。椽保丢保病∠到y(tǒng)矩陣有單位圓外特征值的情形80
。椽保丢保场(shù)值例子82
。椽保贰刹椒ㄝ敵龇答侇A(yù)測控制84
。椽保浮刹椒ㄝ敵龇答侇A(yù)測控制的穩(wěn)定性85
。椽保埂刹椒ㄝ敵龇答侇A(yù)測控制:中間變量可得到情形89
第5章 預(yù)測控制綜合方法概略91
目 錄Ⅸ
51 一般思路:離散時(shí)間系統(tǒng)情形91
。氮保豹保薄「脑斓膬(yōu)化問題91
。氮保豹保病 叭亍焙徒y(tǒng)一的穩(wěn)定性證明思路92
。氮保豹保场》(wěn)定性證明的直接法92
。氮保豹保础》(wěn)定性證明的單調(diào)性法93
515 反最優(yōu)性95
。氮保病∫话闼悸罚哼B續(xù)時(shí)間系統(tǒng)情形96
。氮保场》(wěn)定性要素的實(shí)現(xiàn)98
。氮保唱保薄〔捎媒K端零約束98
。氮保唱保病〔捎媒K端代價(jià)函數(shù)98
533 采用終端約束集99
。氮保唱保础〔捎媒K端代價(jià)函數(shù)和終端約束集99
54 一般思路:不確定系統(tǒng)情形100
。氮保椽保薄¢_環(huán)min-max單值優(yōu)化預(yù)測控制101
542 閉環(huán)min-max優(yōu)化魯棒預(yù)測控制102
第6章 狀態(tài)反饋預(yù)測控制綜合104
。丢保薄《喟枋鱿到y(tǒng)和線性矩陣不等式104
62 基于worst-case性能指標(biāo)的在線方法:零時(shí)域105
。丢保勃保薄⌒阅苤笜(biāo)的處理和無約束預(yù)測控制106
622 約束的處理107
。丢保场』冢鳎铮颍螅簦悖幔螅逍阅苤笜(biāo)的離線方法:零時(shí)域110
。丢保础』冢鳎铮颍螅簦悖幔螅逍阅苤笜(biāo)的離線方法:變時(shí)域112
。丢保怠』跇(biāo)稱性能指標(biāo)的離線方法117
。丢保氮保薄×銜r(shí)域117
。丢保氮保病l(fā)式變時(shí)域118
第7章 有限切換時(shí)域的預(yù)測控制綜合123
71 標(biāo)稱系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)方法123
。藩保病∮妙A(yù)測控制方法求無窮時(shí)域約束線性二次型控制的最優(yōu)解125
73 標(biāo)稱系統(tǒng)的在線方法127
。藩保础∮妙A(yù)測控制方法求無窮時(shí)域約束線性時(shí)變二次型控制的準(zhǔn)最優(yōu)解130
。藩保椽保薄≌w思路131
742。恚椋睿恚幔s束線性二次型控制的求解132
743 有限時(shí)域無終端加權(quán)情形(問題78的求解) 133
。藩保椽保础∮邢迺r(shí)域有終端加權(quán)情形(問題79的求解) 134
。藩保椽保怠(zhǔn)最優(yōu)性、算法與穩(wěn)定性135
。藩保椽保丁(shù)值例子136
747 與62節(jié)方法的比較137
。藩保怠《喟枋鱿到y(tǒng)的在線方法139
751 部分反饋方法139
。藩保氮保病(shù)依賴開環(huán)方法142
第8章 預(yù)測控制綜合的開環(huán)優(yōu)化與閉環(huán)優(yōu)化147
。釜保薄∫环N簡單的部分閉環(huán)優(yōu)化預(yù)測控制147
Ⅹ 預(yù)測控制的理論與方法 第2版
。釜保豹保薄∏袚Q時(shí)域?yàn)椋暗脑诰和離線方法148
。釜保豹保病∏袚Q時(shí)域非0的一個(gè)有效算法149
。釜保病∪nA(yù)測控制151
。釜保场』旌闲皖A(yù)測控制153
。釜保唱保薄∷惴ǎ保担
。釜保唱保病÷(lián)合優(yōu)勢156
。釜保唱保场(shù)值例子157
。釜保础¢_環(huán)優(yōu)化預(yù)測控制及其特點(diǎn)159
。釜保椽保薄沃甸_環(huán)優(yōu)化預(yù)測控制159
。釜保椽保病(shù)依賴開環(huán)優(yōu)化預(yù)測控制160
。釜保怠∏袚Q時(shí)域?yàn)椋钡念A(yù)測控制163
漫 談 篇
第9章 一種基于開環(huán)優(yōu)化的預(yù)測控制167
第10章 基于多胞描述模型成為熱點(diǎn)172
第11章 不變集陷阱177
第12章 時(shí)域N為0或者為1 183
第13章 變體反饋預(yù)測控制187
第14章 關(guān)于最優(yōu)性196
第15章 最大化可應(yīng)用模型范圍199
第16章 狀態(tài)不可測時(shí)的開環(huán)優(yōu)化預(yù)測控制201
第17章 輸出反饋不能來源于簡單地推廣狀態(tài)可測時(shí)的結(jié)果207
第18章 動(dòng)態(tài)輸出反饋和二次有界性方法212
第19章 采用范數(shù)定界技術(shù)處理有界噪聲218
第20章 狀態(tài)估計(jì)誤差的滾動(dòng)更新224
第21章 結(jié)束語227
參考文獻(xiàn)230