字典序多目标非线性预测控制的研究

论文摘要

作为一类较为成熟的计算机控制算法,基于线性模型的预测控制已经在许多领域得到了成功应用。近年来,随着工业控制要求的不断提高,非线性预测控制的理论价值与实际应用前景逐渐显现,使之成为控制理论研究的热点之一。目前,有两个阻碍非线性预测控制实际应用的理论问题:算法的计算量一般较大,难以满足实际工程中在线优化对计算速度的要求;在目前的非线性预测控制研究中,往往将多目标控制问题转换为单目标控制问题,以便求解,缺乏对实际工程中常见的有约束、多目标控制问题的研究,难以满足工业控制的需求。为解决上述理论问题,推动非线性预测控制的实际应用,本文对字典序多目标非线性预测控制器的框架结构、快速算法等内容进行了研究,主要的工作成果如下:(1)作为工作基础,首先研究了线性系统的多目标预测控制器:以多温区空间晶体生长炉为对象,采用遗传算法作为优化方法,引入阶梯式控制策略,设计了阶梯式多变量预测控制器,并进行了仿真研究。基于字典序方法,研究了模块多变量控制器的框架结构、主控量选择策略、不同形式控制约束与控制目标的处理;在此基础上,设计了模块多变量模型算法控制器,并以Shell标准控制问题为对象进行了仿真研究。(2)针对模块多变量预测控制器,研究了非线性预测控制的快速算法:分析了一步快速非线性预测控制算法的误差来源,得出了解析的误差表达式,并提出了校正方法;通过以多个一步预测代替多步预测,提出了基于参考轨迹的阶梯式快速非线性预测算法,能解析求解多步预测控制律,同时可保持较小的计算量;以水箱液位控制系统为对象,对这两种算法进行的仿真和实验控制研究,验证了算法的有效性,特别是在模型失配时的性能。(3)研究了模块多变量非线性预测控制器的框架结构,对控制目标的处理和控制输入的选择进行了讨论,并以一步快速非线性预测控制为具体算法,实现了模块多变量非线性预测控制器。以水箱液位控制系统为对象的仿真实验验证了控制器在求解字典序多目标非线性控制问题时的有效性。(4)为克服模块多变量非线性预测控制器的局限性,提出了字典序多目标遗传算法,结合阶梯式控制策略设计了通用性较强的字典序多目标非线性预测控制器,并在此控制器框架结构下,提出了新的主控量选择策略。以水箱液位控制系统为对象的仿真实验验证了控制器的有效性及其与模块多变量非线性预测控制器的等效性。最后对本文的研究工作进行了总结,指出了尚待进一步研究的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 预测控制的产生与基本原理
• 1.2.1 预测控制的产生
• 1.2.2 预测控制的基本原理
• 1.3 预测控制的发展与应用
• 1.3.1 预测控制的发展与研究现状
• 1.3.2 非线性预测控制的研究
• 1.3.2.1 概述
• 1.3.2.2 计算方法的研究
• 1.3.2.3 理论研究
• 1.3.3 多目标预测控制的研究
• 1.3.4 预测控制的应用
• 1.4 本文的内容安排
• 第2章 多目标优化与控制的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 多目标优化与控制
• 2.2.1 静态多目标优化
• 2.2.2 动态多目标优化
• 2.3 多目标优化的求解方法
• 2.3.1 基本概念
• 2.3.2 标量化方法
• 2.3.2.1 线性加权和法
• 2.3.2.2 参考目标法
• 2.3.2.3 极大极小法
• 2.3.2.4 理想点法
• 2.3.3 分层序列法
• 2.3.3.1 字典序法
• 2.3.3.2 分层评价法与重点目标法
• 2.3.4 基于有效解的方法及其它方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 线性系统的多目标预测控制
• 3.1 引言
• 3.2 基于遗传算法的多变量预测控制
• 3.2.1 遗传算法求解控制问题的基本原理
• 3.2.2 多温区空间晶体生长炉的多变量预测控制
• 3.2.2.1 多温区空间晶体生长炉的多目标控制
• 3.2.2.2 多温区空间晶体生长炉的多变量预测控制
• 3.3 模块多变量预测控制
• 3.3.1 静态模块多变量控制
• 3.3.2 动态模块多变量控制
• 3.3.3 模块多变量模型算法控制
• 3.3.3.1 阶梯式模型算法控制
• 3.3.3.2 Shell标准控制问题
• 3.3.3.3 模块多变量模型算法控制的仿真研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 模块多变量非线性预测控制及其快速算法
• 4.1 引言
• 4.2 模块多变量非线性预测控制器
• 4.2.1 控制器框架的结构与实现
• 4.2.2 设定值目标与极值化目标的处理
• 4.2.2.1 设定值目标的处理
• 4.2.2.2 极值化目标的处理
• 4.2.3 最终控制输入的选择
• 4.3 控制器快速算法的研究
• 4.3.1 一步快速非线性预测控制算法及其改进
• 4.3.1.1 控制器设计
• 4.3.1.2 仿真研究
• 4.3.1.3 实验研究
• 4.3.2 阶梯式快速非线性预测控制
• 4.3.2.1 控制器设计
• 4.3.2.2 仿真研究
• 4.3.2.3 实验研究
• 4.4 模块多变量非线性预测控制器
• 4.4.1 仿真对象与控制问题的描述
• 4.4.2 仿真结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于遗传算法的字典序多目标非线性预测控制
• 5.1 引言
• 5.2 字典序多目标遗传算法
• 5.2.1 字典序多目标遗传算法适应度函数的构造
• 5.2.2 字典序多目标遗传算法的实现
• 5.3 基于字典序多目标遗传算法的非线性预测控制
• 5.3.1 控制器设计
• 5.3.2 主控量选择策略
• 5.3.3 极值化目标的处理
• 5.3.4 仿真研究
• 5.3.4.1 控制问题的描述与控制器实现
• 5.3.4.2 仿真结果
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 主要工作与创新点
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果