工业预测控制

本书根据作者近年来的科研成果和应用实践，从科学原理、整体技术、理论要点、实施细节诸方面对双层结构预测控制这一工业预测控制的主流技术进行了全面的介绍，旨在搭建工程实践与理论之间的桥梁，以此促进工业预测控制技术在我国的研究与应用。书中围绕双层结构预测控制的框架，详细地阐述了工业预测控制所涉及的基础理论和应用技术，包括模型辨识、状态估计、开环预测、稳态目标计算、动态控制实现等。特别要提出的是，作者对稳态目标计算中可行性判别、优先级设置、软约束处理等实用技术做了深入的探讨，融合了满意控制的理念，十分符合预测控制在工业应用中的实际状况。此外，作者还通过总结大量文献并结合自己的理解和构造，颇具特色地介绍了双层结构预测控制系统的理论性质，这是对近年来工业双层结构预测控制理论集中、完整的总结。 

本书根据作者近年来的科研成果和应用实践，从科学原理、整体技术、理论要点、实施细节诸方面对双层结构预测控制这一工业预测控制的主流技术进行了全面的介绍，旨在搭建工程实践与理论之间的桥梁，以此促进工业预测控制技术在我国的研究与应用。书中围绕双层结构预测控制的框架，详细地阐述了工业预测控制所涉及的基础理论和应用技术，包括模型辨识、状态估计、开环预测、稳态目标计算、动态控制实现等。

丁宝苍，男，2000年5月毕业于石油大学（北京），获得硕士学位，2003年6月毕业于上海交通大学，获得博士学位。于2005年9月赴加拿大阿尔伯塔大学做博士后1年，2006年11月赴新加坡南洋理工大学做博士后9个月。目前任职于西安交通大学，任教授/博导。主要从事先进控制理论与工程应用、预测控制等研究工作，率先开展含有界噪声的多胞描述系统的输出反馈预测控制的稳定性设计，并给出系列解决方案。曾担任多个国际SCI、EI期刊的首席客座编辑、客座编辑和协助编辑，是几乎所有控制理论类国际、国内期刊的评审人。发表论文160余篇，其中SCI收录50余篇，含首席和通讯作者的Automatica、IEEE Trans. Automatic Control和IEEE Trans. Fuzzy Systems论文共计17篇，出版《Modern Predictive Control》等专著3部，主持各类横向、纵向科研项目20余项，获国家发明专利4项，入选2008年*新世纪人才支持计划。长期讲授《泛函分析》和《先进控制理论》等课程。

《电气自动化新技术丛书》序言

第6届《电气自动化新技术丛书》编辑委员会的话

序

前言

第1章绪论1

1.1预测控制的发展背景1

1.2预测控制的变量选择2

1.3工业预测控制的基本结构4

1.4常用的数学知识6

1.4.1确定性过程6

1.4.2随机过程7

1.4.3小二乘估计原理9

1.5工业预测控制的数学模型10

1.5.1多变量系统模型11

1.5.2动态模型与稳态模型17

1.6本书内容编排18

第2章状态估计与开环预测20

2.1投影理论21

2.1.1线性小方差估计和投影22

2.1.2新息序列和递推投影公式24

2.2Kalman滤波器和预报器25

2.2.1Kalman滤波器26

2.2.2Kalman预报器30

2.2.3时变系统、有色噪声和噪声相关情形32

2.3稳态Kalman滤波器与预报器36

2.4基于阶跃响应模型和Kalman滤波器的开环预测39

2.4.1稳定型CV的开环预测40

2.4.2积分型CV的开环预测43

第3章稳态目标计算方法 45

3.1实时优化和外部目标46

3.2稳态目标计算的经济优化和目标跟踪问题47

3.2.1稳态目标计算的经济优化方法47

3.2.2稳态目标计算的目标跟踪问题52

3.3稳态目标计算的可行性判定与软约束调整53

3.3.1可行性判定与软约束调整的加权方法54

3.3.2可行性判定与软约束调整的优先级方法57

3.3.3软约束调整与经济优化的折中62

3.4线性与二次规划63

3.4.1线性规划算法描述63

3.4.2二次规划算法描述68

第4章稳定过程的双层结构动态矩阵控制72

4.1开环预测模块73

4.1.1开环动态与稳态预测值74

4.1.2开环预测误差76

4.2稳态目标计算模块76

4.2.1将约束统一为关于MV稳态增量的形式77

4.2.2引入辅助变量和松弛变量，将约束统一为不含MV稳态增量的等式形式79

4.2.3软约束的优先级排名和每个优先级约束的确定80

4.2.4稳态目标计算的可行性阶段82

4.2.5稳态目标计算的经济优化阶段:不含软约束情况84

4.2.6稳态目标计算的经济优化阶段:含优先级软约束情况85

4.3动态控制模块86

4.4动态矩阵控制的等价形式95

4.4.1无约束动态矩阵控制95

4.4.2二次规划动态矩阵控制101

第5章含积分输出的双层结构动态矩阵控制104

5.1开环预测模块105

5.1.1被控系统数学模型105

5.1.2稳定型CV部分106

5.1.3积分型CV部分107

5.2稳态目标计算问题描述110

5.2.1稳定型CV部分的稳态预测模型110

5.2.2积分型CV部分的稳态模型与约束111

5.3多优先级稳态目标计算算法115

5.3.1将约束统一表达为关于MV稳态增量的形式115

5.3.2软约束的优先级排名以及每个优先级约束的确定118

5.3.3稳态目标计算的可行性阶段118

5.3.4稳态目标计算的经济优化阶段:不含软约束情况121

5.3.5稳态目标计算的经济优化阶段: 含优先级软约束情况122

5.4动态控制模块122

5.4.1动态控制的设定值124

5.4.2动态控制算法125

5.5仿真算例127

第6章基于状态空间模型的双层结构预测控制139

6.1干扰模型与可检测性139

6.1.1不可测扰动模型140

6.1.2增广模型的可检测性141

6.1.3积分型输出的扰动模型144

6.2开环预测模块146

6.3稳态目标计算模块148

6.3.1将约束统一表达为关于控制摄动稳态增量的形式149

6.3.2稳态目标计算的可行性阶段151

6.3.3稳态目标计算的经济优化阶段:不含软约束情况153

6.4动态控制模块154

6.5其他备选方案161

6.5.1消除稳态工作点161

6.5.2将被控输出作为状态163

6.5.3将操作变量作为状态166

6.6能控性、能观性、可镇定性、可检测性167

第7章输入输出模型参数辨识170

7.1工业过程的测试170

7.1.1测试信号170

7.1.2过程测试与数据采集176

7.1.3数据预处理177

7.2小二乘参数辨识的基本原理178

7.3非参数化输入输出模型辨识181

7.3.1待辨识模型的描述181

7.3.2数据处理183

7.3.3模型辨识方法185

7.4仿真研究195

第8章状态空间模型的子空间辨识法199

8.1子空间辨识常用的投影与矩阵分解理论199

8.1.1投影理论199

8.1.2QR分解和SVD分解201

8.2子空间辨识基本原理203

8.2.1问题描述203

8.2.2子空间矩阵方程205

8.2.3子空间辨识的基本思想207

8.3几种典型的开环子空间辨识算法209

8.3.1线性回归分析法209

8.3.2N4SID方法211

8.3.3PO-MOESP法211

8.4开环辨识实验与仿真研究212

8.4.1Shell重油分馏塔模型212

8.4.2CD播放器机械臂模型213

8.4.3燃料电池模型215

8.4.4连续搅拌反应釜模型217

8.4.5三容水箱系统实验219

8.5闭环子空间辨识223

第9章双层结构预测控制的无静差特性228

9.1基于状态空间模型的目标跟踪问题228

9.2基于状态空间模型的动态控制和无静差特性231

9.3双层结构动态矩阵控制的无静差特性238

9.4无静差控制的基础即动态稳定性的研究现状239

第10章双层结构预测控制的非线性和自由度变换243

10.1非线性变换方法243

10.2变自由度的双层结构预测控制247

10.3氯乙烯分馏塔应用实例248

参考文献252

预测控制从20世纪70年代问世以来，因其在处理复杂约束优化控制问题时的卓越能力，已在许多领域的过程控制中得到广泛应用，被认为是能以系统和直观的方式处理多变量约束优化的控制技术，并成为工业过程中有代表性的先进控制算法。虽然几十年来在预测控制领域中涌现了大量论文和专著，并且许多预测控制商用软件已在各类工业过程中得到成功应用，但完整详细介绍预测控制在大工业过程中所涉及的基础理论和实现技术的专著为数不多。从事工业过程控制的科技人员不但希望能够应用成熟的预测控制软件在生产过程中取得效益，而且更希望了解预测控制工业应用的系统构架、基本原理、具体算法和实现技术，以便全面地掌握工业预测控制的原理和技术，主动地根据实际要求研发有效的预测控制系统。丁宝苍博士的这本专著就是为适应这一要求撰写的。目前，大工业过程的优化控制均采用多层递阶结构，预测控制一般用于该递阶结构中的动态控制层，其设定值通常由上层工艺优化给出。但在实际应用中，由于生产环节中存在诸多不确定性，由工艺优化得到的设定值未必能实现提高经济效益、节能降耗的目标。要使预测控制更好地发挥作用，不仅要解决设定值如何跟踪的问题，还要解决设定值如何优化的问题，研究包含设定值优化和设定值跟踪的双层结构预测控制正体现了工程应用的这一实际需求。虽然近年来对于双层结构预测控制的研究时有报道，但在理论方面的进展不大，关于双层结构预测控制系统的无静差特性和动态稳定性的结论甚少。这里很重要的一个原因就是在目前的文献中尚缺乏来自实际应用的工业双层结构预测控制的完整描述。本书根据作者近年来的科研成果和应用实践，从科学原理、整体技术、理论要点、实施细节诸方面对双层结构预测控制这一工业预测控制的主流技术进行了全面的介绍，旨在搭建工程实践与理论之间的桥梁，以此促进工业预测控制技术在我国的研究与应用。书中围绕双层结构预测控制的框架，详细地阐述了工业预测控制所涉及的基础理论和应用技术，包括模型辨识、状态估计、开环预测、稳态目标计算、动态控制实现等。特别要提出的是，作者对稳态目标计算中可行性判别、优先级设置、软约束处理等实用技术做了深入的探讨，融合了满意控制的理念，十分符合预测控制在工业应用中的实际状况。此外，作者还通过总结大量文献并结合自己的理解和构造，颇具特色地介绍了双层结构预测控制系统的理论性质，这是对近年来工业双层结构预测控制理论集中、完整的总结。作者丁宝苍博士早期曾参加过预测控制的工业应用项目，从2000年到上海交通大学攻读博士学位起，长期从事预测控制系统稳定性及鲁棒预测控制等方面的研究，发表了不少高质量的论文，并出版了多部专著。近年来，作者又积极投入工业预测控制的理论研究、软件开发和工业应用中，取得了不少成果，本书就是他在这些研究积累和应用经验的基础上完成的。希望本书的出版能从实际应用角度为读者提供工业预测控制理论和技术的新思路，帮助读者了解工业预测控制的实现技术和将要面临的理论挑战，从而为推动预测控制在我国工业领域的研究和应用做出贡献。 席裕庚上海交通大学2015年11月 前言