预测控制（席裕庚）.pdf-资料库

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I ,, 致读者本书由国防科枝图书出版基金资助出版。国防科技图书出版工作是国防科技事业的一个重要方面。优秀的国防科技图书既是国防科技成果的一部分，又是国防科技水平的重要标志。为了促进国防科技事业的发展，加强社会主义物质文明和精神文明建设，培养优秀科技人才，确保国防科技优秀图书的出版，国防科工委于 1988 年初决定每年拨出专款，设立国防科技图书出版基金，成立评审委员会，扶持、审定出版国防科技优秀图书。国防科技图书出版基金资助的对象是： 1. 学术水平高，内容有创见，在学科上居领先地位的基础科学理论图书，在工程技术理论方面有突破的应用科学专著。 2. 学术思想新颖，内容明确、具体、有突出创见，对国防科技发展具有较大推动作用的专著，密切结合科学技术现代化和国防现代化需要的高科技内容的专著。 3. 有重要发展前景和有重大开拓使用价值，密切结合科学技术现代化和国防现代化需要的新技术、新工艺内容的科技即书。 4. 填补目前我国科学技术领域空白的薄弱学科的科技图书。国防科技图书出版基金评审委员会在国防科工委的领导下开展评审工作，职责是：负责掌握出版基金的使用方向，评审受理的图书选题，决定资助的图书选题和资助金额，以及决定中断或取消资助等。经评审给予资助的图书，由国防工业出版社列选出版。国防科技事业已经取得了举世瞩目的成就。国防科技图书承担着记载和弘扬这些成就，积累和传播科技知识的使命。在改革

N 开放的新形势下，国防科工委率先设立出版基金，扶持出版科技图书，这是一项具有深远意义的创举。此举势必促使国防科技图书的出版随着国防科技事业的发展更加兴旺。设立出版基金是一件新生事物，是对出版工作的一项改革。因而，评审工作需要不断地摸索、认真地总结和及时地改进，这样，才能使有限的基金发挥出巨大的效能。评审工作更需要国防科技工业战线广大科技工作者、专家、教授，以及杜会各界朋友的热情支持。让我们携起手来，为祖国昌盛、科技腾飞、出版繁荣而共同奋斗1 I 六国防科技图书出版基金评审委员会 , ; 、J

v 、国防科技图书出版基金第一届评审委员会组成人员主任委员：邓佑生副主任委员：金朱德太史瑞委员：尤子平朵英贤刘涫德（按姓氏笔画排列）何庆芝何国伟张汝果范学虹金兰柯有安侯迁高景侮莫梧生曾铎秘书长：刘涫德 :

双 . 前言预测控制是70年代后期产生的一类新型计算机控制算法。它的问世，一方面是受到了计算机技术发展的推动，另一方面也来自复杂工业实践向高层优化控制提出的挑战。 10多年来，随着它处理复杂系统控制的策略思想日益为人们所认识，以及它在工业实践中的大量成功应用，这一控制技术的生命力及诱人的应用前景已引起了控制理论界和工业控制界的广泛兴趣。本书的撰写，就是为了适应这方面的需要，通过全面介绍预测控制的机理、算法、设计要点及其在复杂工业系统中的应用技巧，推动预测控制在我国的研究和应用，使这一新型技术对我国国民经济的发展和工业自动化水平的提高产生积极的影响。本书力图从多方面对预测控制作出全面的描绘。全书内容由三部分组成s 一是从概貌上介绍预测控制的产生、机理、研究现状及发展前景（第一、二、九章），二是介绍预测控制的基础算法及系统的分析与设计（第三、四、五章），这部分一方面对常用的典型算法进行了细致的描述，另一方面对预测控制系统进行了深入的理论分析，为系统设计提供了有益的参考，三是介绍复杂系统中的预测控制（第六、七、八章），即从应用的角度介绍预测控制的实用化算法及其应用实例。这三个部分分别侧重于从总体概念、基础算法及理论分析、实用算法及应用技巧上描绘预测控制，但又相互渗透，有机结合。本书既使读者了解预测控制的方法论，又反映出具体的理论问题及应用技巧。这将有助于读者跳出单一算法框框的束缚，加深对预测控制本质的理解，正确认识预测控制的实际地位和价值，在较高的视野上拓宽研究和应用预测控制的思路。预测控制发展到今日，已不能仅仅理解为是一种或几种控制

冒算法，而要从更高的层次上，把它作为一种控制方法来理解。虽然在这种方法框架下，新的算法层出不穷，但由于篇幅所限，本书只能以某些典型算法为例进行介绍。在这里，作者选择了动态矩阵控制算法，这是因为，它是产生最早、影响最大、应用最广的预测控制算法之一。虽然如此，书中所介绍的原理也同样适用于其他算法。基千同样的理由，书中对预测控制的实用化算法及应用实例的介绍，也只能选择有限的典型例子，而不可能将各种策略和实例均包含在内。作者希望这种取材的有限性，不致影响本书对这一领域全貌的反映。本书是作者近10年来在该领域的研究工作的结晶，同时书中也综合了近年来该领域在国际上的发展动态。在这里，特别要感谢导师施密特CG.Schmidt)教授和张钟俊教授对作者在这一领域研究的引导和支持。几年来，作者的同事和学生们，特别是许晓鸣博士和谢剑英副教授，与作者一起在这上领域中作出了持续有效的努力，华东师范大学袁震东教授，中国石油大学袁璞教授等许多国内同行与作者进行了极为有益的讨论，均为本书的撰写奠定了基础，作者在此表示衷心的感谢。、作者还要感谢妻子和父母对作者工作极为可贵的支持。近10 年来，他们为此所作出的巨大牺牲作者将终身难忘。本书中的研究工作先后受到德国科学研究基金(DFG)、我；国国家自然科学基金的资助，作者谨在此一并表示感谢。预测控制作为一种新型优化控制技术，在我国的工业和其他领域内有着广阔的应用前景。作者希望，本书的出版能为推动预测控制在我国的研究和应用起到一定的作用。由千作者水平所限，书中定有不少不尽人意之处，衷心希望广大读者提出宝贵意见。席裕庚于上海交通大学 1991年10月

-·,·.. .... , ,·..' ' " ' 目录可 g , ，．．人．七· 弓 l 言....... 今................妒.......................................· .. , 预测控制的基本原理......... 血..... …............ ………… 5 几种典型的预测控制算法……...... ……............... ···10 ............................................................ 10 动态矩阵控制模型算法控制 ····························································18 ····························································28 广义预测控制预测控制系统的分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．…............... ·--.36 动态矩阵控制的状态空间分析 .......................•............ ···36 动态矩阵控制系统的内模控制结构 ................................. 43 ·································52 动态矩阵控制系统的动态特性分析 .•..................• ···61 动态矩阵控制系统的稳定性和鲁棒性分析预测控制系统的参数设计... ………... ……...... …... ···78 ............................................. 7/t ···························92· 典型工业过程动态矩阵控制的解析设计多变量预测控制算法…... ……······ ……............ ·-- JO'T 多变量系统的动态矩阵控制………... ………... ……............ JO'T 动态矩阵控制的参数设计多变量动态矩阵控制的算法实现及参数整定·…..... ………... 115- 多变量动态矩阵控制的解耦设计…............... ………………120 有约束的多变量动态矩阵控制………………………………… 128 多变量系统的分散预测控制……………......... …......... …... 138 ..............•..•...... ···148 预测控制在实际应用中的发展 .................................... z4~ 具有前馈－反馈结构的预测控制串级预测控制............................................................ 152 带有自校正的预测控制算法……... ……........................... 159 高维大系统的递阶预测控制……... ……........................... 164 利用无穷范数优化的鲁棒预测控制…………………………... 172 非线性系统的预测控制……......... ……………............ …···179 第一章笫二章第三章 §3.1 §3. 2 §3. 3 第四章 §4. I §4. 2 §4. 3 §4. 4 第五章 §5. I §5. 2 第六章 §6.1 §6. 2 §6. 3 §6. 4 §6. 5 第七章 §7. 1 §7. 2 §7. 3 §7. 4 §7. 5 §7.6

X 第八章预测控制的工业应用实例................................. 189 §8.1 汽轮发电机组蒸汽系统的控制....................................... 191 §8.2 炼油厂加氢裂化单元的动态矩阵控制..................... ·········194 §8. 3 天然气传输网络的在线优化.......................................... 201 §8. 4 工业机器人的预测函数控制..................... …··················207 第九章预测控制的发展前景... …......... ….................. …215 参考文献..................…............................................. zz<> .

（第一章引言 ' 70年代后期，在美、法等国的工业过程领域内出现了一类新型计算机控制算法，如动态矩阵控制(DMC)、模型算法控制 (MAC)。这类算法以对象的阶跃或脉冲响应为模型，采用滚动推移的方式在线地对过程实现优化控制，在复杂的工业过程中显现出良好的控制性能。1978年，理查勒特(Richalet)等在文献 r (1)中，首次详细阐述了这类算法产生的动因、机理及其在工业过程中的应用效果。从此，预测控制（臣吐i_ctive.Cotrol) 作为这类新型控制算法的统一名称，便开始出现在控制领域中。．｀．．一预测控制的产生，并不是理论发展的需要，而首先是工业实践向控制提出的挑战。众所周知，60年代初形成的现代控制理论，在航夭、航空等领域都取得了辉煌的成果。利用状态空间法分析和设计系统，提高了入们对被控对象的洞察能力，提供了在更高层次上设计控制系统的手段。特别是，立足于最优性能指标的设计理论和方法已趋成熟，这对于在工业过程中追求更高控制质量和经济效益的控制工程师来说，无疑具有极大的吸引力。然而，人们不久就发现，在完美的理论与控制实践之间还存在着巨大的鸿沟。这主要表现在以下几个方面， (1)现代控制理论的基点是对象精确的数学模型，而在工业过程中所涉及的对象往往是多输入、多输出的高维复杂系统，其数学模型很难精确建立，即使建立了模型，从工程实用的角度来说，往往需要简化，从而很难保证得到对象精确的模型。 (2)工业对象的结构、参数和环境都具有很大的不确定性。由于这些不确定性的存在，按照理想模型得到的最优控制在实际上往往不能保持最优，有时甚至会引起控制品质的严重下降。在工业环境中，人们更关注的是控制系统在不确定性影响下保持良

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