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非线性模型预测控制的若干问题研究

非线性模型预测控制的若干问题研究

非线性模型预测控制的若干问题研究一、概述随着现代工业技术的快速发展,非线性模型预测控制(Nonlinear Model Predictive Control,NMPC)已成为控制领域的研究热点。

非线性系统广泛存在于实际工业过程中,其特性复杂、行为多样,且具有不确定性,这使得传统的线性控制策略在面对非线性系统时往往难以取得理想的效果。

研究非线性模型预测控制策略,对于提高控制系统的性能、稳定性和鲁棒性具有重要意义。

非线性模型预测控制是一种基于非线性模型的闭环优化控制策略,其核心思想是在每个采样周期,以系统当前状态为起点,在线求解有限时域开环最优问题,得到一个最优控制序列,并将该序列的第一个控制量作用于被控系统。

这种滚动优化的策略使得非线性模型预测控制能够实时地根据系统的状态变化调整控制策略,从而实现对非线性系统的有效控制。

非线性模型预测控制的研究也面临着诸多挑战。

由于非线性系统的复杂性,其预测模型的建立往往较为困难,且模型的准确性对控制效果的影响较大。

非线性模型预测控制需要在线求解优化问题,这对计算资源的需求较高,限制了其在实时性要求较高的系统中的应用。

非线性模型预测控制的稳定性和鲁棒性也是研究的重点问题。

本文旨在深入研究非线性模型预测控制的若干关键问题,包括非线性模型的建立、优化算法的设计、稳定性和鲁棒性的分析等。

通过对这些问题的研究,旨在提出一种高效、稳定、鲁棒的非线性模型预测控制策略,为实际工业过程的控制提供理论支持和实践指导。

1. 非线性模型预测控制(NMPC)概述非线性模型预测控制(Nonlinear Model Predictive Control,简称NMPC)是一种先进的控制策略,广泛应用于各种动态系统的优化控制问题中。

NMPC的核心思想是在每个控制周期内,利用系统的非线性模型预测未来的动态行为,并通过求解一个优化问题来得到最优控制序列。

这种方法能够显式地处理系统的不确定性和约束,因此非常适合于处理那些对控制性能要求较高、环境复杂多变的实际系统。

非线性控制系统中的模型预测控制技术

非线性控制系统中的模型预测控制技术

非线性控制系统中的模型预测控制技术一、引言现代控制理论的发展中,非线性控制系统成为了研究的关键领域。

非线性控制系统的特点是复杂性强、系统参数难以准确测量、不确定性大等。

这些因素使得非线性控制系统很难得到精准的控制。

本文将重点剖析模型预测控制技术在非线性控制系统中的应用。

二、非线性控制系统的特点一般来说,非线性控制系统具有以下几个特点:1. 系统的非线性和复杂性2. 系统存在参数不确定性,难以精确测量3. 控制输入和输出之间存在强耦合性4. 系统存在振荡、不稳定性等问题上述特点使得非线性控制系统的控制变得非常复杂,需要使用更加先进的控制算法来解决这些问题。

三、模型预测控制模型预测控制,简称MPC,是基于一个预测模型进行控制的一种方法。

在MPC中,控制器使用当前的状态以及对未来状态的预测来作出控制决策。

控制器会计算出一个控制变量序列,然后将其施加到非线性系统中。

这种方法可以提高控制系统的性能,从而降低控制误差。

MPC 的基本流程可以概括为以下几个步骤:1. 选择一个模型2. 预测下一步的状态和输出3. 计算控制变量序列,优化控制性能4. 应用当前的控制变量MPC 具有以下优点:1. 能够将未来的控制变量和权重考虑进去,使得控制系统能够更好地适应未来的变化。

2. 能够对强耦合的非线性系统进行控制。

3. 能够更好地应对系统不确定性和时变性。

因此,MPC 已经成为了非线性控制系统中的一种重要控制方法。

四、MPC 在非线性控制系统中的应用由于非线性控制系统具有非确定性和复杂性等特点,为了更好地处理这些问题,MPC 被广泛地应用在非线性控制系统中。

特别是在化工、能源等重要领域,MPC 已经成为了非线性控制系统中最常用的控制方法之一。

例如,在控制化工过程中, MFC(Model Predictive Control)技术已经广泛应用,该技术可以对复杂的化工过程中的需求进行实时调节,并对可能出现的负面效应进行修正。

模型预测控制方法在航空发动机控制中的应用

模型预测控制方法在航空发动机控制中的应用

模型预测控制方法在航空发动机控制中的应用一、引言航空发动机控制是航空工业中的关键技术之一,对于航空发动机的性能和寿命具有至关重要的影响。

随着科技的不断发展和进步,模型预测控制方法越来越得到了广泛的应用,尤其是在航空发动机的控制中。

本文将介绍模型预测控制方法在航空发动机控制中的应用。

二、航空发动机控制概述航空发动机控制是一种复杂的系统工程,其主要任务是控制发动机在不同工况下的性能和行为。

航空发动机由许多复杂的机械和电子控制系统组成,需要调节和控制各种参数,如燃料流量、空气流量、涡轮转速等,以保证发动机的最佳性能和寿命。

三、模型预测控制方法概述模型预测控制方法(Model Predictive Control, MPC)是一种先进的控制技术,常用于多变量、非线性、约束控制系统中。

该方法是基于模型的控制策略,通过预测系统输出的变化规律和约束条件,来实现对系统动态响应的优化控制。

四、模型预测控制方法在航空发动机控制中的应用航空发动机控制涉及到多个参数的调节和协调工作,因此,使用模型预测控制方法可以更加准确地预测发动机行为和性能,并针对不同的工况进行相应的调节和控制。

1. 发动机空气流量控制发动机空气流量是直接影响发动机性能的重要参数之一。

使用模型预测控制方法,可以实时预测发动机空气流量变化趋势,通过调节发动机可调导叶的角度,调整进气系统的工作状态,从而优化发动机性能。

2. 发动机燃料流量控制发动机燃料流量是影响发动机工作状态的重要参数之一。

使用模型预测控制方法,可以通过预测发动机燃料流量的变化趋势并结合发动机的工况,实现在不同发动机状态下的燃油经济性和排放控制目标。

3. 发动机转速控制发动机转速是影响发动机性能的重要参数之一,尤其是在起降以及飞行过程中。

使用模型预测控制方法,可以通过预测发动机转速的变化,并实时调节发动机的涡轮调节系统的工作状态,从而控制发动机的转速,维持发动机的最佳运行状态。

5. 发动机寿命预测与维修调度对于航空发动机来说,寿命预测和维修调度是关键问题之一。

一种滑翔增程弹非线性模型预测控制方法

一种滑翔增程弹非线性模型预测控制方法

令 : 由姿 态控 制 回路 转换成 升 降舵 偏 角和 方 向舵偏 角指 令 ; 斜 稳 定控 制 器将 滚转 角指 令 转 再 倾
换成副翼偏 角指令。以某滑翔增程弹为例进行仿真计算, 结果表明, 该控制器具有很好的控制
效果 , 能够 克服 干扰 因素 的影 响 , 实现 滑翔增 程 的 目的。
a d a i d o t lss m. h ud ne ss m cne ste ps i o m n sit t jc r n tt e cnr yt T e gia c yt o vr h oio cm ad no r ety tu o e e t tn a o
i l a o n l a dt jc r df c o nl cm ad . h ttd ot l ytm ic dn n i t nage n r et y e et n ag o m n s T ea i ecnr s nl iga cn i a o l i e tu os e u
P oete rjci l
XI Gu n , ANG a g mi g GUO iq a g U a W Li n . n , Zh . i n 。
( .c ol f n rya dP w r n ier g N S , aj g2 0 9 , hn ; 1 S h o o eg n o e gnei , U T N ni 10 4 C ia E E 模 型预 测 控 制 方 法
修 观 , 良明 , 志强 王 郭
(. 1 南京理工大学 能源与动力工程学院 , 江苏 南京 20 9 ;. 104 2 上海宇航 系统工程研究所 , 上海 2 10 ; 0 18 3 北方 自动控制技术研究所 , . 山西 太原 0 00 ) 3 0 6

预测控制模型结构

预测控制模型结构

预测控制模型结构预测模型预测模型是预测控制模型的核心部分,它用于描述系统的动态行为,基于历史观测数据来预测未来的系统状态。

常见的预测模型有以下几种:1.线性模型:基于线性系统的假设,使用线性状态空间模型或ARMA模型等进行预测。

2.非线性模型:考虑非线性系统的特性,使用非线性回归模型、神经网络模型等进行预测。

3.神经网络模型:通过训练神经网络来拟合系统的输入输出关系,进行预测。

4.ARIMA模型:自回归滑动平均模型,用于描述时间序列数据的动态变化。

5.状态空间模型:将系统的状态和观测变量表示为状态方程和观测方程,通过状态估计和观测估计来进行预测。

控制器控制器是预测控制模型的另一个重要组成部分,它用于根据预测模型的输出进行控制决策。

常见的控制器有以下几种:1.模型预测控制器(MPC):基于预测模型的输出,通过优化控制问题得到最优控制系列,实现对系统的控制。

2.比例积分微分(PID)控制器:通过比例、积分和微分操作来实现对系统的控制,可以根据误差信号调整控制输出。

3.神经网络控制器:使用神经网络来估计系统的输出,然后根据估计值进行控制决策。

4.最优控制器:通过求解最优化问题,得到最优控制输入,实现对系统的控制。

模型结构预测控制模型的结构是指预测模型和控制器的组合方式。

一般来说,预测模型和控制器之间存在以下两种结构:1.串级结构:预测模型和控制器按照串联的方式连接,预测模型先进行预测,然后将预测结果传递给控制器进行控制决策。

输入数据>预测模型>预测结果>控制器>控制输入2.并行结构:预测模型和控制器同时运行,预测模型负责预测系统状态,控制器负责根据预测结果进行控制决策。

输入数据>预测模型>预测结果|V控制器>控制输入。

非线性模型预测控制算法研究

非线性模型预测控制算法研究

非线性模型预测控制算法研究随着科技的发展,模型预测控制技术已逐渐成为控制领域的热门研究方向之一。

在传统的线性模型预测控制算法基础上,非线性模型预测控制算法已经得到了广泛应用,并取得了良好的控制效果。

本文将对非线性模型预测控制算法进行探究,并对其在实际应用中的优异表现进行分析。

一、非线性模型预测控制原理非线性模型预测控制算法的核心思想是建立非线性预测模型,然后利用该模型进行预测和控制。

与传统的线性模型预测控制算法不同的是,在非线性模型预测控制算法中,预测模型是通过非线性函数进行描述的。

这种方法能够更加准确地描述被控对象的动态特性,实现更好的前瞻性控制。

在非线性模型预测控制算法中,我们首先需要建立一个非线性模型,通常是建立一个神经网络模型或非线性回归模型。

接着,利用系统的历史数据进行训练和参数优化,得到一个可靠的预测模型。

在预测时,将模型输入预测变量,得到预测结果,然后进行控制决策。

在控制时,根据实际的运行状况和预测结果,调整控制动作,以达到预期的控制目标。

二、非线性模型预测控制算法的优势1. 能够更加准确地描述被控对象的动态特性与传统的线性模型预测控制算法相比,非线性模型预测控制算法能够更加准确地描述被控对象的动态特性。

这是由于非线性模型能够更好地逼近实际的物理过程。

这种方法能够充分挖掘系统的非线性特性,更好地描述系统的动态行为,从而实现更加准确的预测和控制。

2. 具有更强的稳定性和鲁棒性非线性模型预测控制算法具有更强的稳定性和鲁棒性。

这是由于该算法不受系统变化的影响,能够自适应地学习系统模型,并自动调整控制策略。

这种算法的控制性能更加可靠和优化,能够在实际应用中得到广泛应用。

3. 能够应对多变环境和复杂系统非线性模型预测控制算法能够应对多变环境和复杂系统。

这种算法在实际应用中表现出了很好的灵活性和鲁棒性,能够适应各种实际应用场景。

而在传统的线性模型预测控制算法中,存在线性模型无法描述非线性系统的缺陷,因此不能很好地应对复杂系统。

非线性预测及应用

非线性预测及应用

非线性预测及应用随着科技的不断发展,数据处理和分析方法得到了广泛的应用,其中非线性预测在很多领域有着重要的应用价值。

本文将对非线性预测的基本原理、主要方法和应用领域进行探讨。

一、非线性预测的基本原理非线性预测是指根据已有的数据,对未来的变化趋势进行预测的方法。

与线性预测不同的是,非线性预测需要考虑到数据的复杂性和非线性规律性,能够更加准确地反映未来的趋势变化。

非线性预测的基本原理是寻找数据体系中的模式和规律,将其用数学模型进行刻画,从而实现对未来变化的预测。

这种方法适用于那些具有复杂性和非线性规律性的数据体系,如股票价格、气候变化、物理过程等。

二、非线性预测的主要方法非线性预测的主要方法包括神经网络、支持向量机、深度学习等。

神经网络是一种通过模拟人类脑神经元的方式,构建复杂非线性关系的方法。

它具有自适应性、容错性、并行性等优点,在金融、经济、气象等领域具有广泛的应用。

支持向量机是一种基于统计学习理论的分类和回归方法,其优点在于能够通过核函数将非线性问题转化为线性问题,从而提高预测的准确性。

深度学习则是一种基于神经网络的机器学习方法,它能够通过多层次的非线性变换和卷积操作对复杂数据进行高维特征提取和分类,具有在大数据处理和图像识别方面有着广泛的应用前景。

三、非线性预测在实际应用中的价值非线性预测在实际应用中具有广泛的价值,其适用于多个领域,如金融、能源、交通、医学等。

在金融领域,非线性预测能够帮助分析师和投资者,制定有效的投资策略,降低风险,提高收益。

例如,利用神经网络的非线性预测方法,可以预测股票价格、汇率趋势等金融指标;使用支持向量机的非线性预测方法,则能够对市场走势进行长期预测和策略优化。

在能源领域,非线性预测能够对能源价格、供需关系等关键指标进行预测和优化,帮助能源行业制定战略和计划。

例如,可以利用神经网络模型进行石油价格预测,对于石油公司来说,这有助于降低生产成本并制定更加科学合理的销售计划。

动力学非线性系统建模与预测控制

动力学非线性系统建模与预测控制

动力学非线性系统建模与预测控制在现代科技的飞速发展下,高科技产业的生产要求越来越高,要求对各种机电系统进行合理的建模和控制。

其中,动力学非线性系统的建模和预测控制是一个十分重要的问题。

动力学非线性系统是指其运动状态、系统输出和控制输入之间存在非线性关系,通俗的讲就是不存在一个通用的数学函数可以描述系统的行为。

这种系统在日常生活中很常见:例如,弹簧振动、地震、车辆运动轨迹等等。

由于其极其复杂的性质,能够对其进行建模和预测控制对于人类解决很多实际问题具有重要的意义。

在这方面,我们先来谈谈建模的问题。

对于非线性系统的建模,主要有时间域和频域两种方法。

时间域方法是指通过差分方程或微分方程来描述系统的状态变化,而频域方法则是通过系统的传递函数或频率响应来描述系统的输入和输出关系,即不考虑系统的状态变化。

相对来说,频域方法建模简单易懂,广泛应用也是其中的原因之一。

但是,当非线性系统的系统建模前提不能满足输出具有平稳性时,频域方法就不能使用,这时需要使用更为复杂的时间域方法。

在开始进行动力学非线性系统的建模之前,需先了解系统的基础性质,如系统是否相对稳定等,而这些性质确定了之后,才可进行相应的状态方程和输出方程的推导。

举个例子,我们来看看质量悬挂在弹簧上进行简谐振动的建模过程。

对于这个系统,可以通过牛顿第二定律F=ma得到其状态方程为(m为质量,k为弹簧系数,x为质量相对平衡点的位移):m(d2x/dt2)+kx=0此外,可以通过观察到系统的位移x与时间t的关系,得到其输出方程为:x=Asinωt其中A表示振幅,ω表示角频率。

将其代入状态方程,可以解得系统的频率为:ω=√(k/m)通过上述推导过程,我们就成功地建立了弹簧振动的动力学非线性系统模型。

除了建立系统模型,预测控制也是非常重要的一个环节。

在许多应用中,经常需要预测未来的状态,进而为控制提供依据。

例如,对于自主驾驶汽车来说,需要对未来的交通情况进行预测,以便进行合理的驾驶。

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Communications and Control Engineering For other titles published in this series,go to/series/61Series EditorsA.Isidori J.H.van Schuppen E.D.Sontag M.Thoma M.Krstic Published titles include:Stability and Stabilization of Infinite Dimensional Systems with ApplicationsZheng-Hua Luo,Bao-Zhu Guo and Omer Morgul Nonsmooth Mechanics(Second edition)Bernard BrogliatoNonlinear Control Systems IIAlberto IsidoriL2-Gain and Passivity Techniques in Nonlinear Control Arjan van der SchaftControl of Linear Systems with Regulation and Input ConstraintsAli Saberi,Anton A.Stoorvogel and Peddapullaiah SannutiRobust and H∞ControlBen M.ChenComputer Controlled SystemsEfim N.Rosenwasser and Bernhard mpeControl of Complex and Uncertain SystemsStanislav V.Emelyanov and Sergey K.Korovin Robust Control Design Using H∞MethodsIan R.Petersen,Valery A.Ugrinovski andAndrey V.SavkinModel Reduction for Control System DesignGoro Obinata and Brian D.O.AndersonControl Theory for Linear SystemsHarry L.Trentelman,Anton Stoorvogel and Malo Hautus Functional Adaptive ControlSimon G.Fabri and Visakan KadirkamanathanPositive1D and2D SystemsTadeusz KaczorekIdentification and Control Using Volterra Models Francis J.Doyle III,Ronald K.Pearson and Babatunde A.OgunnaikeNon-linear Control for Underactuated Mechanical SystemsIsabelle Fantoni and Rogelio LozanoRobust Control(Second edition)Jürgen AckermannFlow Control by FeedbackOle Morten Aamo and Miroslav KrsticLearning and Generalization(Second edition) Mathukumalli VidyasagarConstrained Control and EstimationGraham C.Goodwin,Maria M.Seron andJoséA.De DonáRandomized Algorithms for Analysis and Controlof Uncertain SystemsRoberto Tempo,Giuseppe Calafiore and Fabrizio Dabbene Switched Linear SystemsZhendong Sun and Shuzhi S.GeSubspace Methods for System IdentificationTohru KatayamaDigital Control SystemsIoan ndau and Gianluca ZitoMultivariable Computer-controlled SystemsEfim N.Rosenwasser and Bernhard mpe Dissipative Systems Analysis and Control(Second edition)Bernard Brogliato,Rogelio Lozano,Bernhard Maschke and Olav EgelandAlgebraic Methods for Nonlinear Control Systems Giuseppe Conte,Claude H.Moog and Anna M.Perdon Polynomial and Rational MatricesTadeusz KaczorekSimulation-based Algorithms for Markov Decision ProcessesHyeong Soo Chang,Michael C.Fu,Jiaqiao Hu and Steven I.MarcusIterative Learning ControlHyo-Sung Ahn,Kevin L.Moore and YangQuan Chen Distributed Consensus in Multi-vehicle Cooperative ControlWei Ren and Randal W.BeardControl of Singular Systems with Random Abrupt ChangesEl-Kébir BoukasNonlinear and Adaptive Control with Applications Alessandro Astolfi,Dimitrios Karagiannis and Romeo OrtegaStabilization,Optimal and Robust ControlAziz BelmiloudiControl of Nonlinear Dynamical SystemsFelix L.Chernous’ko,Igor M.Ananievski and Sergey A.ReshminPeriodic SystemsSergio Bittanti and Patrizio ColaneriDiscontinuous SystemsYury V.OrlovConstructions of Strict Lyapunov FunctionsMichael Malisoff and Frédéric MazencControlling ChaosHuaguang Zhang,Derong Liu and Zhiliang Wang Stabilization of Navier–Stokes FlowsViorel BarbuDistributed Control of Multi-agent NetworksWei Ren and Yongcan CaoLars Grüne Jürgen Pannek Nonlinear Model Predictive Control Theory and AlgorithmsLars Grüne Mathematisches Institut Universität Bayreuth Bayreuth95440Germanylars.gruene@uni-bayreuth.de Jürgen Pannek Mathematisches Institut Universität BayreuthBayreuth95440Germanyjuergen.pannek@uni-bayreuth.deISSN0178-5354ISBN978-0-85729-500-2e-ISBN978-0-85729-501-9DOI10.1007/978-0-85729-501-9Springer London Dordrecht Heidelberg New YorkBritish Library Cataloguing in Publication DataA catalogue record for this book is available from the British LibraryLibrary of Congress Control Number:2011926502Mathematics Subject Classification(2010):93-02,92C10,93D15,49M37©Springer-Verlag London Limited2011Apart from any fair dealing for the purposes of research or private study,or criticism or review,as per-mitted under the Copyright,Designs and Patents Act1988,this publication may only be reproduced, stored or transmitted,in any form or by any means,with the prior permission in writing of the publish-ers,or in the case of reprographic reproduction in accordance with the terms of licenses issued by the Copyright Licensing Agency.Enquiries concerning reproduction outside those terms should be sent to the publishers.The use of registered names,trademarks,etc.,in this publication does not imply,even in the absence of a specific statement,that such names are exempt from the relevant laws and regulations and therefore free for general use.The publisher makes no representation,express or implied,with regard to the accuracy of the information contained in this book and cannot accept any legal responsibility or liability for any errors or omissions that may be made.Cover design:VTeX UAB,LithuaniaPrinted on acid-free paperSpringer is part of Springer Science+Business Media()For Brigitte,Florian and CarlaLGFor Sabina and AlinaJPPrefaceThe idea for this book grew out of a course given at a winter school of the In-ternational Doctoral Program“Identification,Optimization and Control with Ap-plications in Modern Technologies”in Schloss Thurnau in March2009.Initially, the main purpose of this course was to present results on stability and performance analysis of nonlinear model predictive control algorithms,which had at that time recently been obtained by ourselves and coauthors.However,we soon realized that both the course and even more the book would be inevitably incomplete without a comprehensive coverage of classical results in the area of nonlinear model pre-dictive control and without the discussion of important topics beyond stability and performance,like feasibility,robustness,and numerical methods.As a result,this book has become a mixture between a research monograph and an advanced textbook.On the one hand,the book presents original research results obtained by ourselves and coauthors during the lastfive years in a comprehensive and self contained way.On the other hand,the book also presents a number of results—both classical and more recent—of other authors.Furthermore,we have included a lot of background information from mathematical systems theory,op-timal control,numerical analysis and optimization to make the book accessible to graduate students—on PhD and Master level—from applied mathematics and con-trol engineering alike.Finally,via our web page we provide MATLAB and C++software for all examples in this book,which enables the reader to perform his or her own numerical experiments.For reading this book,we assume a basic familiarity with control systems,their state space representation as well as with concepts like feedback and stability as provided,e.g.,in undergraduate courses on control engineering or in courses on mathematical systems and control theory in an applied mathematics curriculum.However,no particular knowledge of nonlin-ear systems theory is assumed.Substantial parts of the systems theoretic chapters of the book have been used by us for a lecture on nonlinear model predictive con-trol for master students in applied mathematics and we believe that the book is well suited for this purpose.More advanced concepts like time varying formulations or peculiarities of sampled data systems can be easily skipped if only time invariant problems or discrete time systems shall be treated.viiviii PrefaceThe book centers around two main topics:systems theoretic properties of nonlin-ear model predictive control schemes on the one hand and numerical algorithms on the other hand;for a comprehensive description of the contents we refer to Sect.1.3.As such,the book is somewhat more theoretical than engineering or application ori-ented monographs on nonlinear model predictive control,which are furthermore often focused on linear methods.Within the nonlinear model predictive control literature,distinctive features of this book are the comprehensive treatment of schemes without stabilizing terminal constraints and the in depth discussion of performance issues via infinite horizon suboptimality estimates,both with and without stabilizing terminal constraints.The key for the analysis in the systems theoretic part of this book is a uniform way of interpreting both classes of schemes as relaxed versions of infinite horizon op-timal control problems.The relaxed dynamic programming framework developed in Chap.4is thus a cornerstone of this book,even though we do not use dynamic programming for actually solving nonlinear model predictive control problems;for this task we prefer direct optimization methods as described in the last chapter of this book,since they also allow for the numerical treatment of high dimensional systems.There are many people whom we have to thank for their help in one or the other way.For pleasant and fruitful collaboration within joint research projects and on joint papers—of which many have been used as the basis for this book—we are grateful to Frank Allgöwer,Nils Altmüller,Rolf Findeisen,Marcus von Lossow,Dragan Neši´c ,Anders Rantzer,Martin Seehafer,Paolo Varutti and Karl Worthmann.For enlightening talks,inspiring discussions,for organizing workshops and mini-symposia (and inviting us)and,last but not least,for pointing out valuable references to the literature we would like to thank David Angeli,Moritz Diehl,Knut Graichen,Peter Hokayem,Achim Ilchmann,Andreas Kugi,Daniel Limón,Jan Lunze,Lalo Magni,Manfred Morari,Davide Raimondo,Saša Rakovi´c ,Jörg Rambau,Jim Rawl-ings,Markus Reble,Oana Serea and Andy Teel,and we apologize to everyone who is missing in this list although he or she should have been mentioned.Without the proof reading of Nils Altmüller,Robert Baier,Thomas Jahn,Marcus von Lossow,Florian Müller and Karl Worthmann the book would contain even more typos and inaccuracies than it probably does—of course,the responsibility for all remaining errors lies entirely with us and we appreciate all comments on errors,typos,miss-ing references and the like.Beyond proof reading,we are grateful to Thomas Jahn for his help with writing the software supporting this book and to Karl Worthmann for his contributions to many results in Chaps.6and 7,most importantly the proof of Proposition 6.17.Finally,we would like to thank Oliver Jackson and Charlotte Cross from Springer-Verlag for their excellent rs Grüne Jürgen PannekBayreuth,Germany April 2011Contents1Introduction (1)1.1What Is Nonlinear Model Predictive Control? (1)1.2Where Did NMPC Come from? (3)1.3How Is This Book Organized? (5)1.4What Is Not Covered in This Book? (9)References (10)2Discrete Time and Sampled Data Systems (13)2.1Discrete Time Systems (13)2.2Sampled Data Systems (16)2.3Stability of Discrete Time Systems (28)2.4Stability of Sampled Data Systems (35)2.5Notes and Extensions (39)2.6Problems (39)References (41)3Nonlinear Model Predictive Control (43)3.1The Basic NMPC Algorithm (43)3.2Constraints (45)3.3Variants of the Basic NMPC Algorithms (50)3.4The Dynamic Programming Principle (56)3.5Notes and Extensions (62)3.6Problems (64)References (65)4Infinite Horizon Optimal Control (67)4.1Definition and Well Posedness of the Problem (67)4.2The Dynamic Programming Principle (70)4.3Relaxed Dynamic Programming (75)4.4Notes and Extensions (81)4.5Problems (83)References (84)ix5Stability and Suboptimality Using Stabilizing Constraints (87)5.1The Relaxed Dynamic Programming Approach (87)5.2Equilibrium Endpoint Constraint (88)5.3Lyapunov Function Terminal Cost (95)5.4Suboptimality and Inverse Optimality (101)5.5Notes and Extensions (109)5.6Problems (110)References (112)6Stability and Suboptimality Without Stabilizing Constraints (113)6.1Setting and Preliminaries (113)6.2Asymptotic Controllability with Respect to (116)6.3Implications of the Controllability Assumption (119)6.4Computation ofα (121)6.5Main Stability and Performance Results (125)6.6Design of Good Running Costs (133)6.7Semiglobal and Practical Asymptotic Stability (142)6.8Proof of Proposition6.17 (150)6.9Notes and Extensions (159)6.10Problems (161)References (162)7Variants and Extensions (165)7.1Mixed Constrained–Unconstrained Schemes (165)7.2Unconstrained NMPC with Terminal Weights (168)7.3Nonpositive Definite Running Cost (170)7.4Multistep NMPC-Feedback Laws (174)7.5Fast Sampling (176)7.6Compensation of Computation Times (180)7.7Online Measurement ofα (183)7.8Adaptive Optimization Horizon (191)7.9Nonoptimal NMPC (198)7.10Beyond Stabilization and Tracking (207)References (209)8Feasibility and Robustness (211)8.1The Feasibility Problem (211)8.2Feasibility of Unconstrained NMPC Using Exit Sets (214)8.3Feasibility of Unconstrained NMPC Using Stability (217)8.4Comparing Terminal Constrained vs.Unconstrained NMPC (222)8.5Robustness:Basic Definition and Concepts (225)8.6Robustness Without State Constraints (227)8.7Examples for Nonrobustness Under State Constraints (232)8.8Robustness with State Constraints via Robust-optimal Feasibility.2378.9Robustness with State Constraints via Continuity of V N (241)8.10Notes and Extensions (246)8.11Problems (249)References (249)9Numerical Discretization (251)9.1Basic Solution Methods (251)9.2Convergence Theory (256)9.3Adaptive Step Size Control (260)9.4Using the Methods Within the NMPC Algorithms (264)9.5Numerical Approximation Errors and Stability (266)9.6Notes and Extensions (269)9.7Problems (271)References (272)10Numerical Optimal Control of Nonlinear Systems (275)10.1Discretization of the NMPC Problem (275)10.2Unconstrained Optimization (288)10.3Constrained Optimization (292)10.4Implementation Issues in NMPC (315)10.5Warm Start of the NMPC Optimization (324)10.6Nonoptimal NMPC (331)10.7Notes and Extensions (335)10.8Problems (337)References (337)Appendix NMPC Software Supporting This Book (341)A.1The MATLAB NMPC Routine (341)A.2Additional MATLAB and MAPLE Routines (343)A.3The C++NMPC Software (345)Glossary (347)Index (353)。

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