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1、南开大学研究生课程南开大学研究生课程智能预测控制智能预测控制陈增强陈增强 教授教授南开大学计算机与控制工程学院南开大学计算机与控制工程学院智能自适应预测控制研究室智能自适应预测控制研究室 2014年年3月月致谢致谢 感谢我的导师袁著祉教授的辛勤培育！感谢我的导师袁著祉教授的辛勤培育！主要内容主要内容v第一部分：预测控制第一部分：预测控制v第二部分：神经网络及控制第二部分：神经网络及控制v第三部分：基于神经网络的智能预测控制第三部分：基于神经网络的智能预测控制第一部分：预测控制v第一章第一章 绪论绪论v第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论v第三章第三章 有约束广义预测控制有约束
2、广义预测控制v第四章第四章 多变量广义预测控制多变量广义预测控制第一章 绪论1.1 1.1 自动控制理论发展与先进控制技术自动控制理论发展与先进控制技术 1.1.1 1.1.1 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述 1.1.2 1.1.2 先进控制技术发展先进控制技术发展1.2 1.2 预测控制发展与早期研究预测控制发展与早期研究 1.2.1 1.2.1 预测控制发展预测控制发展 1.2.2 1.2.2 预测控制早期研究预测控制早期研究1.3 1.3 现代预测控制现代预测控制5第一章 绪论1.1 1.1 自动控制理论发展与先进控制技术自动控制理论发展与先进控制技术1.1.1 1.1.1 自
3、动控制理论发展简述自动控制理论发展简述u 2020世纪世纪5050年代年代“经典控制理论经典控制理论” 研究对象：线性定常系统，单输入研究对象：线性定常系统，单输入-单输出系统；单输出系统； 研究方法：传递函数、频率特性（伯德图、根轨迹图、研究方法：传递函数、频率特性（伯德图、根轨迹图、Nyquist Nyquist 判据）。判据）。u2020世纪世纪6060年代年代“现代控制理论现代控制理论” 研究对象：线性或非线性系统、定常或时变系统，多输入研究对象：线性或非线性系统、定常或时变系统，多输入-多输出系统；多输出系统； 研究方法：状态方程（一阶微分或差分方程组）、时域分析法；研究方法：状态方
4、程（一阶微分或差分方程组）、时域分析法； 主要内容：能控能观性分析、李亚普诺夫稳定性理论、系统辨识、卡尔曼主要内容：能控能观性分析、李亚普诺夫稳定性理论、系统辨识、卡尔曼滤波、最优控制（庞特里亚金极大值原理、贝尔曼动态规划）。滤波、最优控制（庞特里亚金极大值原理、贝尔曼动态规划）。 6第一章 绪论1.1.2 1.1.2 先进控制技术发展先进控制技术发展解耦控制解耦控制精确线性化精确线性化鲁棒控制鲁棒控制变结构控制变结构控制自适应控制自适应控制极点配置控制极点配置控制逆模型控制逆模型控制模型预测控制模型预测控制模糊控制模糊控制神经网络控制神经网络控制基于规则的控制基于规则的控制 - -专家控制系
5、统专家控制系统学习控制学习控制 迭代学习控制、迭代学习控制、 加强学习控制、加强学习控制、 重复学习控制、重复学习控制、 基于模式识别学习控制基于模式识别学习控制自抗扰控制自抗扰控制无模型控制无模型控制7第一章 绪论1.2 1.2 预测控制发展与早期研究预测控制发展与早期研究1.2.1 1.2.1 预测控制产生及发展预测控制产生及发展 预测控制是一种基于模型的先进控制技术，即模型预测控制预测控制是一种基于模型的先进控制技术，即模型预测控制(MPC: (MPC: Model Predictive Control)Model Predictive Control)。最早由法国工程师。最早由法国工程
6、师RichaletRichalet于于19781978年提出。年提出。v主要特征：主要特征：预测模型、滚动优化、反馈校正、设定值柔化。预测模型、滚动优化、反馈校正、设定值柔化。v主要优点：主要优点：克服受控对象未建模误差、参数与环境等方面的不确定性、大克服受控对象未建模误差、参数与环境等方面的不确定性、大时滞或变时滞等，具有鲁棒性。时滞或变时滞等，具有鲁棒性。v基本类型：基本类型：1 1）以非参数模型为预测模型的预测控制算法）以非参数模型为预测模型的预测控制算法 动态矩阵控制（动态矩阵控制（DMCDMC）: Cutler: Cutler提出，基于阶跃相应模型；提出，基于阶跃相应模型； 模型算法
7、控制（模型算法控制（MACMAC）: Rauhani: Rauhani提出，基于脉冲阶跃相应模型。提出，基于脉冲阶跃相应模型。2 2）以参数模型为预测模型的预测控制算法）以参数模型为预测模型的预测控制算法广义预测控制（广义预测控制（GPCGPC）: Clake: Clake提出，基于提出，基于(CARIMA(CARIMA：Controlled Auto-Controlled Auto-Regressive Integrated Moving Average)Regressive Integrated Moving Average)模型模型; ;广义预测极点配置控制（广义预测极点配置控制（GPP
8、CGPPC）: Lelic: Lelic提出提出; ;扩展时域自适应控制（扩展时域自适应控制（EHACEHAC）: Ydstie: Ydstie提出提出; ;扩展时域预测自适应控制（扩展时域预测自适应控制（ESPACESPAC）: De Keyser: De Keyser提出提出. .8第一章 绪论1.2 1.2 预测控制发展与早期研究预测控制发展与早期研究1.2.2 1.2.2 预测控制的早期研究预测控制的早期研究 v 理论分析：理论分析：稳定性分析、鲁棒性分析。稳定性分析、鲁棒性分析。v 算法的改进与推广：算法的改进与推广：简化算法、多变量系统、模型及目标函数改进。简化算法、多变量系统、模
9、型及目标函数改进。v 工程应用：工程应用：石油、化工、冶金、造纸、水泥、锅炉、窑炉等过程工业，出石油、化工、冶金、造纸、水泥、锅炉、窑炉等过程工业，出现了多种运行于集散式控制系统上的商业化模型预测控制软件包。现了多种运行于集散式控制系统上的商业化模型预测控制软件包。1 1.3 .3 现代预测控制现代预测控制 预测控制与其它先进控制方法结合。预测控制与其它先进控制方法结合。 自适应预测控制；自适应预测控制； 鲁棒预测控制；鲁棒预测控制； 多变量解耦预测控制；多变量解耦预测控制； 非线性系统预测控制；非线性系统预测控制； 模糊预测控制；模糊预测控制； 神经网络预测控制；神经网络预测控制； 多速率采
10、样预测控制；多速率采样预测控制； 多模型切换预测控制；多模型切换预测控制； 有约束预测控制；有约束预测控制； 预测函数控制。预测函数控制。9第一章 绪论参考书目参考书目1 1 席裕庚，预测控制，国防工业出版社。席裕庚，预测控制，国防工业出版社。2 2 舒迪前，预测控制理论及应用，机械工业出版社。舒迪前，预测控制理论及应用，机械工业出版社。3 3 王伟，广义预测控制理论及应用，科学出版社。王伟，广义预测控制理论及应用，科学出版社。4 4 诸静等，智能预测控制理论及其应用，浙江大学出版社。诸静等，智能预测控制理论及其应用，浙江大学出版社。5 5 钱积新等，预测控制，化工出版社。钱积新等，预测控制，
11、化工出版社。66 D W Clarke et.al, Generalized predictive control, Part I & II, Automatica, 1987, 23(2): 137-第一部分第一部分 预测控制预测控制第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论第三章第三章 有约束广义预测控制有约束广义预测控制第四章第四章 多变量广义预测控制多变量广义预测控制第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论2 2.1 .1 模型预测控制的结构及典型算法模型预测控制的结构及典型算法 2 2.1.1 .1.1 模型预测模型预测控制控制系统结构
12、系统结构 2 2.1.2 .1.2 典型模型预测典型模型预测控制控制方法方法2 2.2 .2 动态矩阵控制（动态矩阵控制（DMCDMC） 2 2.2.1 .2.1 阶跃响应特性及预测模型阶跃响应特性及预测模型 2.2.2 2.2.2 预测模型预测模型 2 2.2.3 .2.3 反馈校正反馈校正 2.2. 2.2.4 4 参考轨迹柔化参考轨迹柔化 2.2. 2.2.5 5 滚动优化滚动优化 2.2. 2.2.6 6 DMC DMC算法步骤算法步骤 2.2. 2.2.7 7 DMC DMC算法优点及特征算法优点及特征2 2.3 .3 广义广义预测控制预测控制(GPC)(GPC) 2.3.1 2.3
13、.1 预测模型预测模型 2.3.2 2.3.2 跟踪轨迹柔化跟踪轨迹柔化 2.3.3 2.3.3 滚动优化滚动优化 2.3.4 2.3.4 反馈校正反馈校正-自校正控制算法自校正控制算法 2.3.5 GPC 2.3.5 GPC自校正算法流程自校正算法流程 2.3.6 2.3.6 仿真研究仿真研究 2.3.7 GPC 2.3.7 GPC的内模结构的内模结构 2.3.8 GPC 2.3.8 GPC的主要特征及优点的主要特征及优点 2.3.9 GPC 2.3.9 GPC的改进的改进 2.3.10 GPC 2.3.10 GPC 应用举例应用举例12第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论
14、2.1 2.1 模型预测控制的结构及典型算法模型预测控制的结构及典型算法2.1.1 2.1.1 模型预测控制系统的结构模型预测控制系统的结构 模型预测控制模型预测控制(MPC)(MPC)系统大致包括四部分：系统大致包括四部分：预测模型：以各种不同的预测模型为基础；预测模型：以各种不同的预测模型为基础；滚动优化：采用在线滚动优化指标；滚动优化：采用在线滚动优化指标；反馈校正：对预测误差在线校正；反馈校正：对预测误差在线校正；参考轨迹：对设定值给出一个柔化的轨迹。参考轨迹：对设定值给出一个柔化的轨迹。 预测控制的典型结构。使其能够有效地克服受控对象的不确定预测控制的典型结构。使其能够有效地克服受控
15、对象的不确定性、时间延迟和时变等不确定因素的动态影响，从而达到预期的控性、时间延迟和时变等不确定因素的动态影响，从而达到预期的控制目标，并使系统具有良好的鲁棒性和稳定性。制目标，并使系统具有良好的鲁棒性和稳定性。 13第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论2.1 2.1 模型预测控制的结构及典型算法模型预测控制的结构及典型算法2.1.1 2.1.1 模型预测控制系统的结构模型预测控制系统的结构 参考轨迹滚动优化被控对象在线校正预测模型输出量输出量y(k)y(k)控制量控制量u(k)u(k)设定值设定值y yr r(k)(k)yyp p(k+j)(k+j)yym m(k+j)(k
16、+j)柔化轨迹柔化轨迹 y yd d(k+j)(k+j)图图2.1 2.1 模型预测控制结构图模型预测控制结构图14第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 预测控制的上述典型结构，使其能够有效地克服控制对象的不确定性、迟滞和时变预测控制的上述典型结构，使其能够有效地克服控制对象的不确定性、迟滞和时变等因素的动态影响，从而达到预期的控制目标，并使系统具有良好的鲁棒性和稳定性。等因素的动态影响，从而达到预期的控制目标，并使系统具有良好的鲁棒性和稳定性。 2.1.2 2.1.2 典型模型预测控制算法典型模型预测控制算法 预测控制算法已有多种，基本上都是基于几种常用的典型算法：预测控制
17、算法已有多种，基本上都是基于几种常用的典型算法： 1 1）动态矩阵控制（）动态矩阵控制（DMC-Dynamic Matrix Control);DMC-Dynamic Matrix Control); 2) 2) 模型算法控制（模型算法控制（MAC-Model Algorithm ControlMAC-Model Algorithm Control）; ; 3) 3) 广义预测控制（广义预测控制（GPC-Generalized Predictive Control).GPC-Generalized Predictive Control). 本章对本章对1 1）和）和3 3）两种典型预测控制算法
18、做详细的介绍。）两种典型预测控制算法做详细的介绍。 15第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 16第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 17第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 18第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 19第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 20第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 21第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 22第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 23第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 24第二
19、章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 25第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 26第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 27第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 28第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 29第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 30第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 31第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 32第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 33第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 34第二
20、章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 35第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 36第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 37第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 38第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 39第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论40第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 41第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 42第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 43第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 44第二章
21、第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 45第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 46第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 47第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 48第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 49第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 50第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 51第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 52第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 53第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 54第二章
22、第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 55第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 56第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 57第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 58第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 59第二章第二章 模型预测控制基础理论模型预测控制基础理论 第三章第三章 有约束预测控制有约束预测控制3 3.1 .1 等式约束的等式约束的GPCGPC 3 3.2 .2 含有硬约束的含有硬约束的GPCGPC 3 3.3 .3 含有不等式约束的含有不等式约束的GPCGPC 61第三章 有约束预测控制62第三章
23、 有约束预测控制63第三章 有约束预测控制64第三章 有约束预测控制65第三章 有约束预测控制66第三章 有约束预测控制67第三章 有约束预测控制68第三章 有约束预测控制69第三章 有约束预测控制70第三章 有约束预测控制71第三章 有约束预测控制72第三章 有约束预测控制73第三章 有约束预测控制74第三章 有约束预测控制75第四章 多变量广义预测控制4 4.1 .1 模型描述及目标函数模型描述及目标函数 4 4.2 .2 控制器求解控制器求解 4 4.3 .3 自校正控制算法自校正控制算法4.4 4.4 有约束的有约束的MGPCMGPC4.5 4.5 多变量多变量GPCGPC的其它研究的
24、其它研究4 4。6 6 仿真研究仿真研究76第四章 多变量广义预测控制77第四章 多变量广义预测控制78第四章 多变量广义预测控制79第四章 多变量广义预测控制80第四章 多变量广义预测控制81第四章 多变量广义预测控制82第四章 多变量广义预测控制83第四章 多变量广义预测控制84第四章 多变量广义预测控制85第二部分 神经网络及控制第一章第一章 神经网络神经网络第二章第二章 神经网络控制神经网络控制第三章第三章 神经网络预测控制神经网络预测控制86第二部分 神经网络及控制87第一章 神经网络88第一章 神经网络89第一章 神经网络90第一章 神经网络91第一章 神经网络92第一章 神经网络
25、93第一章 神经网络94第一章 神经网络95第一章 神经网络96第一章 神经网络97第一章 神经网络98第一章 神经网络99第一章 神经网络100第一章 神经网络101第一章 神经网络102第一章 神经网络103第一章 神经网络104第一章 神经网络105第一章 神经网络106第一章 神经网络107第一章 神经网络108第一章 神经网络109第一章 神经网络110第一章 神经网络111第一章 神经网络112第一章 神经网络113第一章 神经网络114第一章 神经网络115第一章 神经网络116第一章 神经网络117第一章 神经网络118第一章 神经网络119第一章 神经网络120第一章 神经网
26、络121第一章 神经网络122第一章 神经网络123第二章 神经网络控制124第二章 神经网络控制125第二章 神经网络控制126第二章 神经网络控制127第二章 神经网络控制128第二章 神经网络控制129第二章 神经网络控制130第二章 神经网络控制131第二章 神经网络控制132第二章 神经网络控制133第二章 神经网络控制134第二章 神经网络控制135第二章 神经网络控制136第二章 神经网络控制137第二章 神经网络控制138第二章 神经网络控制139第二章 神经网络控制140第二章 神经网络控制141第二章 神经网络控制142第二章 神经网络控制143第二章 神经网络控制144第二章 神经网络控制145个人观点供参考，欢迎讨论
