预测控制

自动化术语

预测控制，即模型预测控制(MPC)，是一类特殊的控制。它的当前控制动作是在每一个采样瞬间通过求解一个有限时域开环最优控制问题而获得。过程的当前状态作为最优控制问题的初始状态，解得的最优控制序列只实施第一个控制作用。这是它与那些使用预先计算控制律的算法的最大不同。本质上模型预测控制求解一个开环最优控制问题。它的思想与具体的模型无关，但是实现则与模型有关。

发展背景

20世纪60年代初期发展起来并日趋完善的现代控制理论，具有最优的性能指标和系统而精确的理论设计方法，在航天航空、制导等领域中获得了卓越的成就。但是在应用于工业过程控制时却没有收到预期的效果。究其原因，现代控制理论的基础是精确的对象参数模型，而工业过程往往具有非线性、时变性、强耦合和不确定性等特点，难以得到精确的数学模型，因而控制效果将大大降低。面对理论发展与实际应用之间的不协调，人们从工业过程控制的特点与需求出发，探索各种对模型精度要求不高而同样能实现高质量控制的方法。模型预测控制(Model Predictive Control，简称预测控制)正是在这种背景下应运而生的一类新型控制算法。一经问世，它就在石油、电力和航空等工业中得到十分成功的应用并迅速发展起来。因此，预测控制的出现并不是某种理论研究的产物，而是在工业实践过程中发展起来的一种有效的控制方法。

基本组成

预测模型

预测控制应具有预测功能，即能够根据系统的现时刻的控制输入以及过程的历史信息，预测过程输出的未来值，因此，需要一个描述系统动态行为的模型作为预测模型。

在预测控制中的各种不同算法，采用不同类型的预测模型，如最基本的模型算法控制(MAC)采用的是系统的单位脉冲响应曲线，而动态矩阵控制(DMC)采用的是系统的阶跃响应曲线。这两者模型互相之间可以转换，且都属于非参数模型，在实际的工业过程中比较容易通过实验测得，不必进行复杂的数据处理，尽管精度不是很高，但数据冗余量大，使其抗干扰能力较强。

预测模型具有展示过程未来动态行为的功能，这样就可像在系统仿真时那样，任意的给出未来控制策略，观察过程不同控制策略下的输出变化，从而为比较这些控制策略的优劣提供了基础。

反馈校正

在预测控制中，采用预测模型进行过程输出值的预估只是一种理想的方式，在实际过程中。由于存在非线性、模型失配和干扰等不确定因素，使基于模型的预测不可能准确地与实际相符。因此，在预测控制中，通过输出的测量值Y(k)与模型的预估值Ym(k)进行比较，得出模型的预测误差，再利用模型预测误差来对模型的预测值进行修正。

由于对模型施加了反馈校正的过程，使预测控制具有很强的抗扰动和克服系统不确定性的能力。预测控制中不仅基于模型，而且利用了反馈信息，因此预测控制是一种闭环优化控制算法。

滚动优化

预测控制是一种优化控制算法，需要通过某一性能指标的最优化来确定未来的控制作用。这一性能指标还涉及到过程未来的行为，它是根据预测模型由未来的控制策略决定的。

但预测控制中的优化与通常的离散最优控制算法不同，它不是采用一个不变的全局最优目标，而是采用滚动式的有限时域优化策略。即优化过程不是一次离线完成的，而是反复在线进行的。在每一采样时刻，优化性能指标只涉及从该时刻起到未来有限的时间，而到下一个采样时刻，这一优化时段会同时向前。所以，预测控制不是用一个对全局相同的优化性能指标，而是在每一个时刻有一个相对于该时刻的局部优化性能指标。

参考轨迹

在预测控制中。考虑到过程的动态特性，为了使过程避免出现输入和输出的急剧变化，往往要求过程输出y(k)沿着一条期望的、平缓的曲线达到设定值r。这条曲线通常称为参考轨迹y，。它是设定值经过在线“柔化”后的产物。

基本算法

预测控制的算法有几十种，其中具有代表性的主要有模型算法控制(MAC)、动态矩阵控制(DMC)和广义预测控制(GPC)等。

模型算法控制

模型算法控制的原理结构图与图8—7相似。模型算法控制的结构包括四个计算环节．即内部模型、反馈校正、滚动优化及参考轨迹。

这种算法的基本思想为：首先预测对象未来的输m状态．再以此来确定当前时刻的控制动作，即先预测再控制。由于它具有一定的预测性，使得它明显优于传统的先输出后反馈冉控制的PID控制系统。

模型算法控制的具体算法很多，有单步模型算法控制、多步模型算法控制、单值模型算法控制和增量型模型算法控制等，这里不再详述。

动态矩阵控制

动态矩阵控制与模型算法控制的不同之处在于内部模型上。该算法采用的是工程上易于测取的对象阶跃响应做模型。其算法较简单，计算量少且鲁棒性强，在石化工业中得到了广泛的应用。

广义预测控制

广义预测控制是在前面几种预测算法的基础上，引入了自适应控制的思想。一般的预测控制算法主要通过反馈来补偿系统误差，再加上滚动优化技术，使模型能对因时变、干扰等造成的影响及时进行补偿。但这种说法是相对的，如果内部模型的准确性很差．则仍会对系统的稳定性造成严重的影响。广义预测控制就是面向此类问题的解决方案。

优点

从预测控制的基本原理来看，这类方法具有下列明显的优点：

特点

与其他控制算法相比，预测控制有其自身的特点：

应用前景

预测控制理论虽然在上个世纪70年代就已提出，在工程实践中也有成功应用的案例，但是经过了近四十年的发展，还有很多问题值得更深入的探索和研究。

从模型预测控制理论和实践的飞速发展来看，预测控制已经存在大量成功的工业应用案例，一些线性预测和非线性预测工程软件包已经推出和应用。传统预测控制理论研究日臻成熟，预测控制与其他先进控制策略的结合也强益紧密。预测控制已成为一种极具工业应用前景的控制策略。

全国各地天气预报查询

上海市

市辖区

云南省

临沧市