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河北工业大学硕士学位论文基于输入非线性MPC的过程控制系统研究姓名牛永肖申请学位

级别硕士专业检测技术与自动化装置指导教师丁宝苍河北工业大学硕士学位论文

i基于输入非线性MPC的过程控制系统研究摘要预测控制MPC是上世纪70年代产生和发展

起来的一种基于模型的计算机控制算法是工业过程控制的一种典型方法。本文从自动控制理

论的发展历程入手对预测控制的基本思想和发展状况进行了综述。包括线性预测控制到输入

非线性预测控制的过渡以及一般的非线性预测控制和输入非线性预测控制的关系。提出输入

非线性预测控制是线性预测控制与非线性预测控制之间一个很好的折中。首先考虑简单的线

性预测控制。利用仿真软件MATLAB对广义预测控制应用于液位和温度系统进行了仿真并对

液位系统应用广义预测控制进行了实验。重点考虑输入非线性系统包括Hammerstein模型和

输入饱和约束。采用两步法预测控制即将预测控制问题分解为一基于线性模型的的动态优化

问题及一非线性模型的静态求根问题。第一步不考虑约束、非线性和不确定性得到一个期望

的中间变量。第二步通过求解非线性代数方程组来处理非线性并通过解饱和来满足约束。在

文献已有成果基础上考虑具有不确定性的两步法预测控制器。不确定性采用多包描述。采用

Lyapunov方法得到了指数稳定条件并给出了吸引域的计算和调整方法。通过一个系统仿真

例子验证了稳定性结果。关键词预测控制输入非线性两步法控制稳定性吸引域过程控制基于

输入非线性MPC的过程控制系统研究iiRESEARCHONPROCESSCONTROLSYSTEMSBASEDON

INPUTNONLINEARMPCABSTRACTPredictivecontrolhasemergedanddevelopedasapowerful

computercontroltechniquesincethe1970’sandisoneofthetypicalprocesscontrolalgorithms.

Thisthesisstartsfromthehistoryofthecontroltheorysurveysthebasicideasandcurrentstatus

ofMPCincludingthetransitionoflinearmodelpredictivecontroltoinputnonlinearmodel

predictivecontrolandtheconnectionbetweengeneralnonlinearmodelpredictivecontroland

inputnonlinearmodelpredictivecontrol.Itsuggeststhatinputnonlinearmodelpredictive

controlcompromisesbetweenlinearityandnonlinearity.Firstlyitconsidersthesimplelinear

modelpredictivecontrolalgorithms.Thelevelandtemperaturesystemsaresimulatedvia

MATLABSimulinkandthelevelsystemisexperimentedbyapplyinggeneralizedpredictivecontrol.

ThenitfocusesoninputnonlinearsystemincludingHammersteinmodelandinputsaturation.

Two-stepmodelpredictivecontrolisappliedwhichdecomposestheMPCproblemintoadynamic

optimizationproblemuponlinearmodelandastaticrootingproblemofnonlinearalgebraic

equation.Thefirststepcalculatesadesiredintermediatevariablewithoutconsideringconstraint

nonlinearit