输入变量关联约束对约束优化控制的影响特性分析

过程工业控制中除了存在常见的输入变量和输出变量幅值高低限约束, 由于工艺或者控制的需要也可能具有关于输入变量线性函数的关联约束. 不同约束条件之间的矛盾可能会造成约束条件无法全部满足, 失去了实施预测控制的基础. 从凸体顶点角度, 将具有输入关联约束的约束优化控制的可行性判定转化为凸多面集是否非空的问题. 为保证具有输入关联约束预测控制的有效实施, 本文将输入关联约束纳入到预测控制控制律的求解当中. 基于Newton控制框架, 考虑具有输入关联约束条件下, 得到基于区间控制思想的预测控制律的解析表达式, 从而分析输入关联约束条件对控制的影响. 通过典型系统模型的控制仿真实验, 验证以上方法的有效性.     

基于状态空间的有约束稳定广义预测控制

针对一类有约束的稳定广义预测控制问题,提出一种基于状态空间的稳定广义预测控制算法。首先通过传递函数的状态空间实现,得到被控对象的离散状态空间形式;然后引入Deadbeat状态反馈矩阵并给出约束条件的等价性定理,实现了约束条件的等价转化;最后通过等价约束条件优化性能指标函数求解控制律。仿真实例表明该方法具有良好的稳定性。     

运用区间算法的约束非线性系统鲁棒模型预测控制

针对一类具有输入和状态约束的干扰有界非线性系统,提出了基于区间分析的约束非线性鲁棒模型预测控制,以降低计算量并扩大系统吸引域.首先,在集合运算的基础上,利用区间运算和函数区间扩展,给出了一种计算效能更好、保守性更低的非线性系统鲁棒一步集计算方法;其次,构造重叠的多面体控制不变集序列并以此计算约束非线性系统的鲁棒多步集,并通过设计基于集合的在线优化策略,提出了基于鲁棒一步集的单步优化非线性模型预测控制,有效降低了非线性优化的在线计算量;最后,仿真实例验证了算法的有效性.     

非线性预测控制终端约束集的优化

为保证预测控制的稳定性,经典的策略是在预测控制的优化问题中加入终端约束集和终端惩罚函数,并保证终端约束集是一个在终端控制律作用下的正不变集,终端惩罚函数是受控系统的局部控制Lyapunov函数.本文提供了一种求解非线性系统终端约束集、终端控制律和终端惩罚函数的新策略.通过在优化问题中引入新的变量来降低求解终端约束条件的...     

含不等式约束的欠驱动系统约束跟随控制

在运动控制领域, 欠驱动机械系统通常需要满足一系列的等式约束(完整或非完整的)以便获得较好的运动 表现, 同时出于安全考虑还需要满足一定的不等式约束条件. 本文提出了一种约束跟随控制方法, 用以解决同时含 等式和不等式约束的欠驱动系统控制问题. 该控制设计主要分为两步: 第1步: 只考虑系统需要满足的等式约束, 运 用约束跟随控制方法推导出基于系统模型的状态反馈控制律; 第2步: 考虑系统需要满足的不等式约束, 先通过状 态变量映射将不等式约束整合到原等式约束中以得到新的等式约束, 再基于新的等式约束和第1步所述的约束跟随 控制方法, 推导出系统所需的状态反馈控制律. 将该约束跟随控制方法应用于三自由度非线性强耦合的欠驱动平面 垂直起降(PVTOL)飞行器. 仿真结果表明, 该控制方法能有效处理PVTOL飞行器运动过程中需满足的等式约束(轨 迹跟踪和姿态保持)和不等式约束(边界服从).     

约束非线性系统的滑模预测控制方法

将预测控制和滑模控制结构起来,提出一种新的非线性模型预测控制方法,通过对系统状态预测得到切换函数预测值,求解约束开环优化求得预测控制律,并将当前时刻的控制作用于对象,下一时刻重复此过程,该方法具有预测控制在线处理约束及滑模控制滑动模态对干扰的不变性的优点,分析了零终端滑模约束模型预测控制的稳定性。     

具有不确定性的非线性切换系统的约束预测控制

针对一类具有不确定性和变量约束的非线性切换系统, 提出了一种基于Lyapunov函数的预测控制方法, 其中状态约束分为两种情况: 1)要求状态变量在所有时刻都满足约束(称为硬约束); 2)允许状态在某些时刻超出约束(称为软约束). 主要思想是: 对切换系统的每一个子系统, 在输入和状态均受约束的情况下, 设计基于Lyapunov函数的有界控制器和预测控制器, 在两者之间适当切换, 得到初始稳定区域的描述并使得子闭环系统保持稳定. 对整个切换系统, 设计适当的切换律以保证: 1)在切换时刻, 闭环系统的状态处在切入系统的稳定区域内; 2)切入模块的Lyapunov函数是非增的, 从而可保证稳定性. 在状态变量的约束是软约束时, 对每一子模块首先设计一个控制策略, 尽快将状态控制到初始稳定区域, 然后再利用稳定区域内的控制律使系统稳定.     

基于遗传算法的结晶器液位约束广义预测控制

针对实际连铸过程中结晶器液位控制须满足多种约束的问题,将一种基于遗传算法的有约束广义预测控制方法（ＧＣＧＰＣ）应用于结晶器液位控制．首先基于机理模型构造了有约束结晶器液位广义预测控制器;然后以遗传算法处理带约束的非线性优化问题,并以此作为滚动优化策略,求得最优控制律．仿真结果表明,在有效处理了约束的基础上,基于遗传算法的有约束广义预测控制效果优于ＰＩＤ 控制以及无约束广义预测控制．     

基于区间二型T-S模糊模型的网络控制系统的输出反馈预测控制

针对干扰作用下的非线性网络控制系统,给出了带一个自由控制作用的输出反馈预测控制方法.首先,利用区间二型T-S模糊模型描述具有参数不确定性的非线性对象,采用马尔科夫链描述系统中的随机丢包过程,由此建立了丢包网络环境下的非线性网络控制系统的数学模型.然后,通过引入二次有界技术得到了干扰作用下网络控制系统的稳定性描述方法,并在此基础上给出了状态观测器的线性矩阵不等式条件.最后,基于估计状态,通过将无穷时域控制作用参数化为一个自由控制作用加一个线性反馈律得到了输出反馈预测控制方法.论文的特色在于构建了在线更新误差椭圆集合的基本方法,满足了约束条件下输出反馈预测控制保证稳定性的要求.仿真例子验证了所提方法的有效性.     

优先级多目标稳定化约束模型预测控制

针对目标函数的不同优先级问题, 提出一种约束多变量线性定常系统的稳定化多目标模型预测控制策略. 首先, 基于多目标优化理论给出多目标预测控制问题的字典序最优解结果, 并在此基础上考虑目标函数的优先级, 重 新将多目标预测控制问题定义为字典序多目标预测控制问题; 然后, 采用终端约束、终端罚函数和局部状态反馈律 等三要素, 证明多目标预测控制闭环系统是渐近稳定的; 最后, 通过一个仿真实例验证了所提出方法的有效性.

     

六自由度机械臂约束预测控制系统的设计

本文提出了一种基于约束预测控制的机械臂实时运动控制方法.该控制方法分为两层,分别设计了约束预测控制器和跟踪控制器.其中,约束预测控制器在考虑系统物理约束的条件下,在线为跟踪控制器生成参考轨迹;跟踪控制器采用最优反馈控制律,使机械臂沿参考轨迹运动.为了简化控制器的设计和在线求解,本文采用输入输出线性化的方式简化机械臂动力学模型.同时,为了克服扰动,在约束预测控制器中引入前馈策略,提出了带前馈一反馈控制结构的预测控制设计.因此,本文设计的控制器可以使机械臂在满足物理约束的条件下快速稳定地跟踪到目标位置.通过在PUMA560机理模型上进行仿真实验,验证了预测控制算法的可行性和有效性.     

零航速减摇鳍两步主从控制律设计

零航速减摇鳍水动力特性与升力式减摇鳍存在本质差异,前者与鳍角、角速度、角加速度构成 多约束动态非线性映射,不满足后者的近似线性关系,导致对抗式PID控制无法适用.针对零航速 减摇鳍系统特有的动态输入非线性及整体结构,借助非线性分离策略,提出并设计基于变约束模 型预测控制与数值迭代反演的两步主从控制律.仿真 结果表明,控制器性能良好,但受物理性硬约束影响,零航速减摇效率随海情增加而呈非线性递减趋势.     

Input-output linearizing control of constrained nonlinear processes

An input-output linearization strategy for constrained nonlinear processes is proposed. The system may have constraints on both the manipulated input and the controlled output. The nonlinear control system is comprised of: (i) an input-output linearizing controller that compensates for processes nonlinearities; (ii) a constraint mapping algorithm that transforms the original input constraints into constraints on the manipulated input of the feedback linearized system; (iii) a linear model predictive controller that regulates the resulting constrained linear system; and (iv) a disturbance model that ensures offset-free setpoint tracking. As a result of these features, the approach combines the computational simplicity of input output linearization and the constraint handling capability of model predictive control. Simulation results for a continuous stirred tank reactor demonstrate the superior performance of the proposed strategy as compared to conventional input-output linearizing control and model predictive control techniques.     

Model predictive control of VAV zone thermal systems concerning bi-linearity and gain nonlinearity

A new control strategy is proposed for zone thermal systems to deal with nonlinearities, uncertainties and constraints. The temperature control of VAV zone thermal systems is investigated. The system consists of two constrained processes: a zone temperature process with input-output bi-linearity and uncertainty, and a damper process with gain nonlinearity. Model predictive control is adopted for control design: a bilinear predictive controller is designed for the zone temperature process and a gain-scheduled robust predictive controller for the damper process. Both controllers deal with constraints directly and they operate in a cascaded manner. Case studies are given to show the effectiveness of the proposed strategy.     

基于满意优化的非线性预测控制

对多约束的非线性系统建立T—S模糊模型，采用局部线性化方法在每个采样点对非线性系统进行线性化，从而得到系统的线性化模型。针对传统的优化方法无法直接处理带有一定模糊不确定性的优化问题，该文在广义预测控制滚动优化的机制下把具有模糊边界约束的有限预测时域的优化问题，转化为等价的确定性规划问题，通过模糊规划方法来求解多约束的目标函数，从而用满意优化取代传统的二次型性能指标来求解模糊约束条件的预测控制。仿真结果表明了该方法的有效性。     

基于混沌粒子群优化的约束状态反馈预测控制算法

提出一种基于混沌粒子群优化的约束状态反馈预测控制算法,用于解决带有输入约束和状态约束的控制问题.将混沌粒子群优化引入到约束状态反馈预测控制的滚动优化过程中,增强了算法在约束范围内的局部搜索和全局搜索能力.通过对一个实际的带有约束的线性离散系统控制优化问题的解决,验证了基于混沌粒子群优化的状态反馈预测控制算法的可行性和有效性,与传统的二次规划算法的比较结果说明了此算法的优越性,证明了状态反馈预测控制系统良好的鲁棒性.     

具有死区预补偿的非线性预测函数控制

死区特性是一类典型的非线性，它对系统最直接的影响是造成稳态误差。针对工业控制系统中广泛存在的死区非线性特性，通过引入死区非线性预补偿器，使系统转化为广义线性系统，完全消除了死区非线性特性对系统的影响，然后针对此广义线性系统进行预测函数控制算法的设计。利用Matlab软件仿真表明，该非线性预测函数控制方法是一种计算简单、跟踪性能好、误差较小的有效的控制方法。