模型预测控制

编者的话

序

第1章 绪论

1.1 为什么出现预测控制

1.2 预测控制的基本原理

1.3 预测控制的基本特点

1.3.1 基于模型的预测

1.3.2 滚动优化

1.3.3 前馈-反馈控制结构

1.4 本书概貌

第2章 基于状态空间模型的预测控制

2.1 状态空间模型

2.2 预测方程

2.3 无约束预测控制

2.3.1 开环优化问题的数学描述

2.3.2 开环优化问题的求解

2.3.3 预测控制闭环解

2.4 无约束预测控制的闭环系统分析

2.4.1 稳定性分析

2.4.2 性能分析

2.5 基于估计的无约束预测控制

2.5.1 状态估计

2.5.2 预测控制及其闭环解

2.5.3 闭环系统分析

第3章 基于阶跃响应的无约束预测控制

3.1 SISO阶跃响应模型的状态空间描述

3.1.1 稳定SISO系统的阶跃响应模型

3.1.2 与卷积单位阶跃响应模型的一致性

3.1.3 SISO积分系统的阶跃响应模型

3.2 SISO系统的动态矩阵控制(DMC)

3.2.1 被控系统描述

3.2.2 状态估计

3.2.3 预测方程

3.2.4 DMC算法及其控制律

3.2.5 闭环系统分析

3.3 SISO时滞系统的动态矩阵控制

3.3.1 SISO时滞系统的DMC算法

3.3.2 闭环系统分析

3.4 MIMO系统的动态矩阵控制

3.4.1 阶跃响应模型的状态空间描述

3.4.2 状态估计

3.4.3 预测方程

3.4.4 MIMO-DMC算法及其控制律

3.4.5 闭环系统分析

3.5 三容液位实验系统的预测控制

第4章 基于脉冲响应的无约束预测控制

4.1 SISO脉冲响应模型的状态空间描述

4.1.1 稳定系统的脉冲响应模型

4.1.2 积分系统的脉冲响应模型

4.2 SISO系统模型算法控制(MAC)

4.2.1 被控系统描述

4.2.2 状态估计

4.2.3 预测方程

4.2.4 MAC算法及其控制律

4.2.5 闭环系统分析

4.3 改进的SISO系统模型算法控制

4.3.1 被控系统描述

4.3.2 状态估计

4.3.3 预测方程

4.3.4 改进MAC算法及其控制律

4.3.5 闭环系统分析

4.4 MIMO系统的模型算法控制

4.4.1 脉冲响应模型的状态空间描述

4.4.2 状态估计

4.4.3 预测方程

4.4.4 MIMO-MAC算法及其控制律

4.4.5 闭环系统分析

第5章 线性系统约束预测控制

5.1 约束动态矩阵控制

5.1.1 约束优化问题描述

5.1.2 约束优化问题求解

5.1.3 约束DMC的闭环控制

5.2 约束模型算法控制

5.2.1 约束优化问题描述

5.2.2 约束优化问题求解

5.2.3 约束MAC的闭环控制

5.3 基于机理状态模型的约束预测控制

5.3.1 约束优化问题描述

5.3.2 约束优化问题求解

5.3.3 约束MPC的闭环控制

5.3.4 QP问题的求解方法

5.4 约束预测控制的稳定性

5.4.1 闭环系统的非线性特性

5.4.2 离散系统的稳定性

5.4.3 最优性≠稳定性

5.4.4 无限时域MPC

5.4.5 无限预测时域和有限控制时域MPC

5.4.6 终端等式MPC

5.4.7 终端不等式MPC

第6章 非线性预测控制

6.1 前言

6.2 优化问题的数学描述

6.2.1 基于离散时间模型

6.2.2 基于连续时间模型

6.3 非线性优化问题求解及闭环控制

6.4 二次型准无限时域预测控制

6.4.1 优化问题描述

6.4.2 计算终端域和终端惩罚

6.4.3 优化问题的可行性

6.4.4 渐近稳定性

6.4.5 数值例子

6.4.6 状态约束的可行

6.5 广义准无限时域非线性预测控制

6.5.1 优化问题描述

6.5.2 名义稳定性

6.5.3 优化解存在性的讨论

6.5.4 终端惩罚和终端域的讨论

6.5.5 特例:精确反馈线性化系统

6.5.6 应用:刚性机器人系统

6.6 离散时间系统非线性预测控制

6.6.1 问题描述

6.6.2 闭环系统的稳定性分析

6.6.3 基于二次型终端惩罚的准无限时域NMPC设计

6.6.4 三容系统的应用

6.7 注释和参考文献

第7章 鲁棒预测控制

7.1 前言

7.2 基于博弈论的约束非线性系统鲁棒MPC

7.2.1 问题描述

7.2.2 Minimax预测控制

7.2.3 闭环系统的鲁棒性

7.2.4 终端控制律和终端约束集

7.2.5 讨论

7.3 约束线性系统的滚动时域H∞控制

7.3.1 预备知识

7.3.2 无约束H∞控制和椭圆状态域

7.3.3 时域约束转换及约束H∞控制

7.3.4 滚动时域H∞控制算法

7.3.5 闭环系统性能分析

7.3.6 关于耗散约束

7.3.7 应用:主动悬架控制

7.4 Minimax问题的拉格朗日近似

7.5 约束不确定线性系统的滚动时域H∞控制

7.5.1 LFT不确定系统的约束H∞控制

7.5.2 LFT不确定系统的滚动时域H∞控制

7.5.3 应用:主动悬架控制

7.6 非线性系统的滚动时域H∞跟踪控制

7.6.1 问题描述

7.6.2 滚动时域H∞跟踪控制算法

7.6.3 闭环系统性能分析

7.6.4 改进的控制算法

7.6.5 应用:轮式移动机器人轨迹跟踪控制

7.7 注释和参考文献

第8章 滚动时域估计

8.1 前言

8.2 滚动时域估计方法

8.2.1 从MPC到MHE

8.2.2 从概率估计到MHE

8.2.3 全信息MHE算法

8.2.4 有限时域MHE算法

8.2.5 特例:线性无约束且N=1

8.2.6 近似MHE算法

8.3 数值例子

8.4 CSTR的浓度估计

8.5 三容系统的液位估计

8.6 注释和参考文献

第9章 预测控制器的FPGA实现

9.1 引言

9.2 预测控制器研究现状

9.3 FPGA和SoPC知识简介

9.4 约束线性MPC算法

9.5 对偶优化算法

9.6 MPC-FPGA控制器实现方案

9.6.1 系统需求分析

9.6.2 SoPC硬件系统设计

9.6.3 SoPC软件系统设计

9.7 MPC-FPGA控制器实时仿真实验平台

9.8 MPC在电子节气门中的应用实例

9.8.1 计算性能分析

9.8.2 实时仿真实验

9.9 本章小结

参考文献

附录A 特征根证明

A.1 (I-KIC)Mss的特征根

A.2 (I-KIC)Mhs的特征根I

A.3 (I-KIC)Mhs的特征根II

附录B MPC优化问题值函数的性质

B.1 离散时间MPC优化问题值函数的性质

B.2 连续时间MPC优化问题值函数的性质