模型预测控制
模型预测控制
反馈校正
2 3 y
u
4
yˆ(k1)ym(k
e(k1)yˆ(k
1
k k+1
t/T
1─k时刻的预测输出ym(k) 2─k＋１时刻实际输出y (k+1)
3─预测误差e(k+1)
4─k＋１时刻校正后的预测输出ym(k+1)
反馈校正
y(k) e(k)
y (k+j| k)
y(k-j)
u(k-j) k-j
ym(k )
+ ym(k+j| k)
+
反馈校正
预测模型
y(k|k)
_ +
模型预测控制的基本原理
预测模型
预测模型的功能
根据被控对象的历史信息{ u(k - j), y(k -j) | j≥1 }和未来输入 { u(k + j - 1) | j =1, …, M} ，预测系统未来响应{ y(k + j) | j =1, …, P} 。
i ＝1, 2, 3, …, j
滚动优化
控制目的
▪通过某一性能指标J 的最优, 确定未来的控制作
用u(k+j|k)。指标J希望模型预测输出尽可能趋近
于参考轨迹。
优化过程
▪随时间推移在线优化，每时刻反复进行 ▪优化目标只关心预测时域内系统的动态性能 ▪每周期只将u(k+1|k)或u(k+m|k)施加于被控过程
模型预测控制的发展
理论背景：
新的控制理论得到发展
➢现代控制理论
状态空间分析法 最优控制理论 系统辨识与参数估计
➢新发展的控制理论
自适应控制 非线性控制 多变量控制
➢得到应用：航空、机电、军事等
模型预测控制的原理
模型预测控制的原理
模型预测控制的基本原理是根据当前时刻测量得到的系统状态,求取一个有限时域开环优化问题,得到一个控制序列,但是只把控制序列第一个元素作用于系统。
预测模块的原理预测控制伴随着工业的发展而来，所以，预测控制与工业生产有着紧密的结合，火电厂钢球磨煤机是一个多变量、大滞后、强耦合的控制对象，其数学模型很难准确建立。
模型算法（MAC）控制主要包括内部模型、反馈校正、滚动优化和参数输入轨迹等几个部分。
它采用基于脉冲响应的非参数模型作为内部模型，用过去和未来的输入输出状态，根据内部模型，预测系统未来的输出状态。
功能模块化的根据是，如果一个问题有多个问题组合而成，那么这个组合问题的复杂程度将大于分别考虑这个问题时的复杂程度之和。
这个结论使得人们乐于利用功能模块化方法将复杂的问题分解成许多容易解决的局部问题。
滚动优化滚动优化是指在每个采样周期都基于系统的当前状态及预测模型，按照给定的有限时域目标函数优化过程性能，找出最优控制序列，并将该序列的第一个元素施加给被控对象。
模型预测控制发展史
模型预测控制发展史
模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）是一种先进的控制方法，它结合了过程建模、优化和反馈控制等技术，以实现对复杂系统的有效控制。
MPC 的发展可以追溯到20 世纪70 年代，经过几十年的发展，已经成为工业控制领域中应用广泛的控制策略之一。
MPC 的发展可以分为以下几个阶段：
1. 早期阶段：20 世纪70 年代，MPC 的概念首次提出，主要应用于化工、石油等过程工业领域。
这一阶段的MPC 算法主要基于线性模型和动态规划方法，具有计算量大、实时性差等缺点。
2. 发展阶段：20 世纪80 年代至90 年代，MPC 算法得到了快速发展，出现了许多改进的算法，如线性二次型调节器（LQR）、广义预测控制（GPC）等。
这些算法在一定程度上提高了MPC 的实时性和精度。
3. 成熟阶段：21 世纪初至今，MPC 算法逐渐成熟，应用范围不断扩大。
这一阶段的MPC 算法更加注重实际应用中的问题，如约束处理、模型不确定性等。
同时，随着计算机技术的发展，MPC 的实时性和精度得到了进一步提高。
目前，MPC 已经成为工业控制领域中应用广泛的控制策略之一，在化工、石油、电力、航空航天等领域得到了广泛应用。
同时，MPC 也在不断发展和创新，如与人工智能技术的结合、多变量MPC 等，为工业控制领域的发展带来了新的机遇和挑战。
模型预测控制
，得最优控制率：
根据滚动优化原理，只实施目前控制量u2(k)：
式中：
多步优化MAC旳特点: 优点: (i)控制效果和鲁棒性优于单步MAC算法简朴;
(ii)合用于有时滞或非最小相位对象。 缺陷: (i)算法较单步MAC复杂;
(ii)因为以u作为控制量, 造成MAC算法不可防止地出现稳态误差.
第5章 模型预测控制
5.3.1.2 反馈校正 为了在模型失配时有效地消除静差，能够在模型预测值ym旳基础上 附加一误差项e，即构成反馈校正（闭环预测）。
详细做法：将第k时刻旳实际对象旳输出测量值与预测模型输出之间 旳误差附加到模型旳预测输出ym(k+i)上，得到闭环预测模型，用 yp(k+i)表达：
第5章 模型预测控制
5.1 引言
一 什么是模型预测控制(MPC)？
模型预测控制（Model Predictive Control）是一种基于模型旳闭环 优化控制策略，已在炼油、化工、冶金和电力等复杂工业过程中得到 了广泛旳应用。
其算法关键是:可预测过程将来行为旳动态模型，在线反复优化计
算并滚动实施旳控制作用和模型误差旳反馈校正。
2. 动态矩阵控制（DMC）旳产生：
动态矩阵控制(DMC, Dynamic Matrix Control)于1974年应用在美国壳牌石 油企业旳生产装置上，并于1980年由Culter等在美国化工年会上公开刊登，
3. 广义预测控制（GPC）旳产生：
1987年，Clarke等人在保持最小方差自校正控制旳在线辨识、输出预测、 最小方差控制旳基础上，吸收了DMC和MAC中旳滚动优化策略，基于参数 模型提出了兼具自适应控制和预测控制性能旳广义预测控制算法。
分布式控制系统中的模型预测控制技术研究
分布式控制系统中的模型预测控制技术研究随着现代工业技术的不断发展，分布式控制系统在工业生产中扮演着越来越重要的角色。
尤其在大型工业设备或生产线中，采用分布式控制系统能够实现设备间的协同控制以及数据共享，提高生产效率和质量。
而模型预测控制技术(MPC)则是分布式控制系统中最为重要的控制策略之一。
在本文中，将对MPC技术进行详细介绍和研究。
一、什么是模型预测控制技术模型预测控制技术是一种基于动态模型的控制策略，通过对控制系统的建模和预测，获取未来时刻的状态变量信息，并根据控制目标和约束条件来制定合适的控制策略。
相比传统的PID控制方法，MPC技术能够在更为复杂的控制环境下保持优越的控制性能，如对非线性和时变系统的控制具有很好的适应性。
在分布式控制系统中，MPC技术能够协调多个节点之间的控制并实现全局控制。
通过建立多节点之间的动态模型，并利用模型预测来协调各节点之间的控制策略，从而实现对整个系统的精确控制和优化。
二、MPC技术在分布式控制系统中的应用在分布式控制系统中，MPC技术可以应用于各个领域。
如在制造业中，通过模型预测控制技术对生产线进行协调控制，可以提高生产效率、减少资源浪费和降低产品缺陷率。
在能源领域中，通过对电力系统进行建模和模型预测，来实现对复杂电网的稳定控制和动态调度。
在交通运输领域中，模型预测控制技术可以应用于车辆控制、交通信号灯控制和智能交通系统等方面。
在分布式控制系统中，MPC技术主要分为两种形式：集中控制和分散控制。
在集中控制中，所有节点的控制信息都由中央节点来处理和计算，然后再将控制指令下发到各个节点。
而在分散控制中，各个节点独立地计算控制信息和控制指令，并相互协作达成全局控制。
两种方式各有优缺点，具体采用哪种形式需要根据具体分布式控制系统的实际情况来决定。
三、MPC技术的优劣势MPC技术的优势在于可以对复杂的动态系统进行精确的建模和控制，并能够保证控制效果的最优化。
另外，该技术还能适应非线性和时变系统的控制，并具有较好的鲁棒性。
强化学习算法中的模型预测控制方法详解
强化学习算法中的模型预测控制方法详解强化学习是一种机器学习方法，通过与环境的交互来学习最优的行为策略。
而模型预测控制是一种强化学习算法，其核心思想是通过建立环境模型来预测未来的状态和奖励，从而对当前行为进行优化。
本文将详细介绍模型预测控制方法在强化学习中的应用，并探讨其优缺点以及相关的研究进展。
一、模型预测控制算法概述模型预测控制算法是一种基于模型的强化学习方法，其主要流程包括环境建模、状态预测和行为优化。
首先，模型预测控制算法会基于历史观测数据建立环境模型，用于预测在不同行为下环境的状态转移和奖励反馈。
接着，算法会利用环境模型对未来的状态和奖励进行预测，然后基于这些预测结果来选择最优的行为，从而达到优化控制的目的。
二、模型预测控制算法的优点模型预测控制算法具有以下几个优点：首先，通过建立环境模型，算法可以更好地理解环境的状态转移和奖励分布，从而能够更准确地预测未来的状态和奖励。
其次，模型预测控制算法可以利用环境模型进行线下仿真，从而可以在不同的环境模拟下进行策略评估和优化，提高了算法的效率和稳定性。
此外，由于模型预测控制算法是基于模型的方法，因此可以更好地处理状态空间和行为空间连续、高维等复杂情况。
三、模型预测控制算法的缺点然而，模型预测控制算法也存在一些缺点：首先，建立环境模型需要大量的样本数据和计算资源，尤其是在复杂的环境下，模型的建立和更新成本很高。
其次，环境模型的建立和更新需要一定的时间，而且环境模型可能存在误差，这些都会影响算法的实时性和准确性。
另外，模型预测控制算法对环境模型的准确性和稳定性要求较高，一旦模型出现偏差或误差，就会导致算法的性能下降。
四、模型预测控制算法的研究进展近年来，随着深度学习和强化学习的发展，模型预测控制算法得到了广泛的应用和研究。
研究者们提出了许多改进方法，以解决模型建立和更新的问题。
例如，利用深度神经网络来建立环境模型，可以更好地处理高维和连续状态空间；采用增量学习和迁移学习等方法，可以降低模型的建立成本；同时，结合强化学习和监督学习的方法，可以提高模型的准确性和鲁棒性。
模型预测控制与增强学习
模型预测控制与增强学习第一章引言1.1 研究背景和意义模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）和增强学习（Reinforcement Learning，RL）是两种在控制系统领域非常重要的方法。
MPC是一种基于数学模型的控制方法，通过预测系统未来的演变来计算最优控制输入。
相比传统的基于反馈的控制方法，MPC可以在多个时间步骤上进行优化，可以更好地处理约束条件和非线性系统。
而RL是一种基于试错学习的方法，通过智能体与环境的交互来学习最优策略，通过奖励和惩罚来指导智能体的行为。
MPC和RL在不同的应用场景中都有广泛的应用，比如自动驾驶、机器人控制等。
1.2 研究内容和结构安排本文主要对MPC和RL进行介绍和比较，解释它们的原理和应用。
具体来说，第二章将详细介绍MPC的原理和方法，包括模型预测、优化算法、约束处理等。
第三章将介绍RL的原理和方法，包括马尔可夫决策过程、值函数、策略搜索等。
第四章将对MPC和RL进行比较，分析它们各自的优势和不足，并讨论它们的结合应用。
最后，本文将总结全文内容并展望未来研究方向。
第二章模型预测控制2.1 模型预测的概念和方法模型预测控制（MPC）是一种通过预测系统未来行为来计算最优控制输入的方法。
MPC将系统的模型表示为离散时间的状态空间模型，通过迭代优化来求解最优控制输入序列。
MPC的基本思想是，在每个时间步骤上，通过预测系统状态和控制输入的未来演变，选择使系统性能指标最优的控制输入。
MPC的优点在于可以处理多个时间步骤上的约束条件，能够更好地适应非线性系统和不确定性。
2.2 MPC的优化算法MPC的求解过程涉及到一个优化问题，需要求解一个非线性规划或二次规划问题。
常用的优化算法包括牛顿法、梯度下降法和内点法。
这些算法可以通过迭代的方式逐步优化控制输入序列，直到收敛到最优解。
在MPC中，需要考虑不仅系统性能指标的优化，还有约束条件的满足，比如系统状态、控制输入的范围约束等。
模型预测控制原理
模型预测控制原理在控制理论中，模型预测控制是一种基于数学模型的控制方法。
它通过建立一个数学模型来预测未来的系统行为，并根据这些预测结果进行控制，以实现系统的稳定和优化控制。
模型预测控制方法的优点在于可以处理非线性系统和时变系统，并且能够考虑到系统的约束条件，可以应用于各种不同的工业过程和控制系统中。
模型预测控制的基本原理是建立一个数学模型来描述系统的动态行为，并利用这个模型来预测未来的系统行为。
这个模型可以是基于物理原理的，也可以是基于统计学方法的。
然后，根据这个模型的预测结果，通过控制器来调节系统的输入，以使系统达到预期的状态。
在模型预测控制中，控制器不是直接控制系统的输出，而是控制系统的输入，以使系统的输出达到预期的值。
模型预测控制的基本步骤包括：建立数学模型、预测未来的系统行为、制定控制策略、执行控制策略、更新模型参数等。
其中，建立数学模型是模型预测控制的关键步骤。
模型可以是线性模型，也可以是非线性模型。
线性模型通常比较简单，但是不能处理非线性系统和时变系统。
非线性模型可以处理各种类型的系统，但是建立非线性模型比较困难。
在建立模型过程中，需要考虑到系统的约束条件，例如输入和输出的限制条件，以保证系统的安全和稳定。
预测未来的系统行为是模型预测控制的核心。
通过模型预测，可以预测未来一段时间内系统的输出值。
预测结果可以用于制定控制策略，以调节系统的输入，使系统的输出达到预期的值。
制定控制策略是根据预测结果来选择合适的控制器参数，例如比例系数、积分系数和微分系数等。
执行控制策略是根据控制器参数来调节系统的输入，以使系统的输出达到预期的值。
更新模型参数是根据实际控制结果来更新模型参数，以提高模型预测的准确性和稳定性。
模型预测控制方法的优点在于可以处理非线性系统和时变系统，并且能够考虑到系统的约束条件，可以应用于各种不同的工业过程和控制系统中。
但是，模型预测控制也存在一些缺点。
首先，建立模型需要大量的数据和计算资源，建模过程比较复杂。
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i 1 N
即近似认为：
gi gi 0
N
iN iN
模型截断长度
离散脉冲响应模型
存在未建模动态（或建模误差）：
~ y (k ) g i u (k i 1)
优点：
iN
无需知道系统的阶次等结构信息 模型长度 N 可以调整
预测模型（P > M）
当前 过去 未来
y (k+j|k) 1 y (k+j|k) 2 u (k+j|k) 1 u (k+j|k) 2
y(k-j)
预测时域P
u(k-j) 控制时域M k-j k k+m k+p
常用模型预测的形式
差分方程
y(k ) ai y(k i) b j u(k j )
现代控制理论
状态空间分析法 最优控制理论 系统辨识与参数估计
新发展的控制理论
自适应控制 非线性控制 多变量控制
得到应用：航空、机电、军事等
模型预测控制的发展
存在问题——过程工业应用差
控制理论的问题：
依赖精确模型 适合多变量控制，但算法复杂 实现困难：计算量大、鲁棒性差….
工程实际的问题：
缺点：
不适合非自衡对象 模型参数冗余
预测模型
y (k ) g i u (k i ) (k )
i 1 N
g1u (k 1) g 2u (k 2) g1 z 1u (k ) g 2 z 2u (k ) z 1 gi z i 1u (k ) (k )
i 1 N
g N u (k N ) (k ) g N z N u (k ) (k )
z 1 g ( z 1 )u (k ) (k )
输出预测
预测模型：
1 ˆ y (k ) G ( z )u (k ) (k ) 1 ˆ z ( z )u (k ) (k ) 1
开环控制+滚动优化的实施需要闭环特性的分析， 甚至是标称稳定性的分析 在线计算量较大。目前广泛应用于慢过程对象的 控制问题上 非线性对象，需要额外的在线计算 需要辨识模型，分析干扰，确定性能指标，整个 问题集合了众多信息
模型预测控制的未来发展
多变量预测控制系统的稳定性、鲁棒性 线性系统 自适应预测—理论性较强 非线性预测控制系统 内部模型用神经网络（ ANN ）描述 针对预测控制的特点开展研究 国内外先进控制软件包开发所采用 分布式预测控制
1970
电动仪表，标准信号：4～20mA CAD；自动机械工具；机器人；DCS； PLC
1980
办公自动化；数字化技术；通讯、 数字化仪表；智能化仪表；先进控制 网络技术；重视环境 软件 现场总线；分析仪器的在线应用；优 化控制
1990后 智能控制；工业控制高要求
模型预测控制的发展
理论背景：
新的控制理论得到发展
m<j 全局看是动态优化
滚动优化（P = M）
yr y u k+1时刻优化 2 1 3 k时刻优化 2 1 3 1─参考轨迹yr (虚线) 2─最优预测输出y(实线) 3─最优控制作用u
yr
y u k
k+1
t/T
滚动优化（P > M）
当前 过去 设定值 轨迹 未来
y (k+j| k)
y(k-j)
y (k+j| k )
ym(k ) u (k+j )
ym(k+j| k -1)
u(k-j)
ˆ (k 1) ym (k 1) e(k 1) y e(k 1) e(k ) y (k ) ym (k )
k k+P
k-j
模型预测控制的基本算法
动态矩阵控制（DMC，Dynamic Matrix Control ） 模型算法控制（MAC，Model Algorithm Control） 广义预测控制（GPC，Generalized Predictive Control） 预测函数控制（PFC，Predictive Functional Control） 滚动时域控制（RHC，Receding Horizon Control）
滚动优化
滚动进行有限时域在线优化
反馈校正
通过预测误差反馈，修正预测模型，提高预测精度
通过滚动优化和反馈校正弥补模型精度不高 的不足，抑制扰动，提高鲁棒性。
模型预测控制的优势
建模方便 不需要深入了解过程内部机理 有利于提高系统鲁棒性的控制器设计 滚动的优化策略 不增加理论困难 较好的动态控制效果 可推广到有约束条件、大纯
i 1 j 1 n m
状态方程
x(k 1) Ax(k ) Bu (k ) y (k ) C x(k )
脉冲传递函数
y( z) 1 G( z ) C zI A B u( z)
由于
( zI A) ( I z 1 Az2 A2 z 3 ) I
MAC主要包括内部预测模型、反馈校正、滚动优 化和参考轨迹等几个部分。 MAC采用系统脉冲响应作为内部预测模型，是一 种非参数模型。 用过去和当前的输入输出状态，根据内部模型， 预测系统未来的输出状态。 经过用模型输出误差进行反馈校正以后，再与 参考轨迹进行比较，应用二次型性能指标进行 滚动优化，然后再计算当前时刻加于系统的控 制，完成整个动作循环。
工业自动化工具的发展（仪表）
年代 工业发展状况 仪表技术
1950
化工、钢铁、纺织、造纸等，规 模较小；电子管时代
气动仪表，标准信号：20～100kPa 采用真空电子管；自动平衡型 记录仪
1960
半导体技术；石油化工；计算机； 电动仪表，标准信号：0～10mA 大型电站；过程工业大型化 仪表控制室；模拟流程图；DDC 集成电路技术；微处理器；能源 危机；工业现代化；微机广泛应 用
预测模型形式
参数模型：如微分方程、差分方程、状态方程、 传递函数等 非参数模型：如脉冲响应、阶跃响应、模糊模型、 智能模型等
预测模型
基于模型的预测示意图（P=M）
过去 y 未来 3 4
1 u
k 时刻 2 1—控制策略Ⅰ 2—控制策略Ⅱ 3—对应于控制 策略Ⅰ的输出 4—对应于控制策略Ⅱ的输出
模型预测控制正式问世 Cutler 壳牌石油公司 多变量模型预测控制软件 Setpoint公司 多变量控制器
Richalet 专利转让
模型预测控制的基本特点
首先在工程实践获得成功应用
是经典和现代控制理论的结合
反馈控制
最优控制
（滚动优化+反馈校正）；
是处理过程控制中多变量约束控制问题的最有效方法 典型代表：MAC、DMC和GPC
模型算法控制－MAC
u(k)
参考轨迹 输入
Z-1
y(k)
受控对象
优化计算
内部模型
预测输出
e(k)
模型算法控制原理框图
离散脉冲响应模型
y
gi：脉冲响应系数
11 g
g2
gN
0
t /T
1 2
N
开环稳定系统的离散脉冲响应曲线
离散脉冲响应模型
适宜对象：线性、定常、自衡系统 在输入端加入控制量 数学表达式：
u (k i ) 0
ik ik
y (k ) g i u (k i 1)
i 0
无限脉冲响应模型 离散脉冲响应序列 g1， g2，…, gi…
可以直接测量
也可以从其它模型转换得到
离散脉冲响应模型
线性、定常、自衡系统的脉冲响应总是会收敛的
可以用有限脉冲响应替代
反馈校正
2
3
y u k k+1
4 1
ˆ (k 1) ym (k y ˆ (k e(k 1) y
1─k时刻的预测输出ym(k) 2─k＋１时刻实际输出y (k+1) 3─预测误差e(k+1) 4─k＋１时刻校正后的预测输出ym(k+1)
t/T
反馈校正
y ( k) y(k-j) e (k )
控制理论与控制工程专题
模型预测控制 Model Predictive Control MPC
模型预测控制
模型预测控制的发展 模型预测控制的基本特点 模型预测控制的基本原理 模型预测控制的基本算法
模型预测控制的发展
时代背景：
20世纪70年代
工业生产规模不断扩大 对生产过程要求不断提高：质量、性能、安全…… 复杂性：非线性、时变性、耦合、时滞…… 控制仪表获得很大发展
现代典型过程对象的控制系统层次图
Unit1 为 传 统 结构 Unit2 为 MPC 结构
模型预测控制的基本特点
预测控制算法的核心内容：
建立内部模型 确定参考轨迹 设计控制算法 实行在线优化
预测控制算法的三要素为：
预测模型 滚动优化 反馈校正
模型预测控制的三要素
预测模型
对未来一段时间内的输出进行预测
ym(k+j|k)＝f [u(k-i), y(k-i)] i ＝1, 2, 3, …, j
滚动优化
控制目的
通过某一性能指标J 的最优, 确定未来的控制作
用u(k+j|k)。指标J希望模型预测输出尽可能趋近 于参考轨迹。
优化过程
随时间推移在线优化，每时刻反复进行 优化目标只关心预测时域内系统的动态性能 每周期只将u(k+1|k)或u(k+m|k)施加于被控过程
受控过程越来越复杂，难以建模 不确定因素多 能源危机 经济效益