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非线性系统的多层次多模型预测控制方法研究

作　者: 刘琳琳
导　师: 周立芳
学　校: 浙江大学
专　业: 系统工程
关键词: 复杂非线性系统 多模型 多层次结构 预测控制 模型切换
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


通常实际的工业系统中具有多个非线性环节,并且有些工业系统具有显著的非线性特征、复杂的运行工况,从而导致系统难于控制。基于多模型结构的预测控制方法已经成为解决非线性系统控制问题的一种有效手段。然而当多变量非线性系统的工况大范围变化时,传统的多模型方法无法有效地描述系统的动态过程,进而影响系统的动态性能。本论文针对此问题,提出了基于多层次多模型的预测控制方法体系。具体研究成果如下：1)针对复杂非线性系统建模问题,提出了多层次多模型结构。此结构由多个层次的多模型构成,不同层次具有相同的全局操作空间,且各个层次子操作空间的覆盖范围大小不同。仿真实验结果表明多层多模型较传统单层多模型能更好地解决非线性系统建模问题；2)针对工况大范围变化的复杂非线性系统控制问题,将多层次多模型结构与多变量GPC算法相结合,提出了多层次多模型预测控制方法。仿真结果表明,多层次多模型预测控制算法较传统多模型预测控制算法能更有效地解决非线性系统工况发生大范围变化时的控制问题；3)针对多层次多模型预测控制方法中的层次切换问题,在分析不同层次模型的特点以及在控制系统中的作用的基础上,提出了基于输出偏差及其变化率的多层次多模型切换方法。pH中和过程的仿真研究表明了该方法具有较好的控制效果；4)通过分析多输入多输出系统各通道非线性程度对模型层次切换的影响,提出了以多变量系统中非线性程度较弱的通道的输出偏差作为层次模型切换准则的模型切换方法；通过研究层次间模型切换过程对系统动态特性的影响,引入软切换思想,提出了另外两种简化的模型切换方法。仿真结果表明了三种切换方法的有效性。最后对全文的研究工作进行了总结,并对这一研究领域的未来研究方向进行了分析和展望。

全文目录


致谢  6-7
摘要  7-8
Abstract  8-10
目录  10-13
第1章 绪论  13-25
  1.1 课题研究背景和意义  13-14
  1.2 非线性预测控制研究现状  14-17
    1.2.1 非线性预测控制的一般描述  14-15
    1.2.2 非线性预测控制算法  15-17
  1.3 多模型方法概述  17-22
    1.3.1 基于多模型的非线性预测控制研究  18
    1.3.2 多模型方法基本原理  18-19
    1.3.3 线性模型集的建立  19-21
    1.3.4 多模型方法中模型的切换策略  21-22
  1.4 本文的研究内容与结构  22-25
第2章 多层次多模型的建模方法  25-41
  2.1 引言  25-26
  2.2 多层次多模型的架构  26-27
    2.2.1 多层次多模型方法的原理  26
    2.2.2 多层次多模型结构框架  26-27
  2.3 聚类算法  27-30
    2.3.1 主要聚类方法  28-29
    2.3.2 k-means聚类算法  29-30
  2.4 多层次多模型建模  30-38
    2.4.1 偏最小二乘回归建模方法  30-33
    2.4.2 基于k-means聚类方法的多层次多模型建模  33-34
    2.4.3 仿真实验  34-38
  2.5 本章小结  38-41
第3章 多层次多模型预测控制算法  41-55
  3.1 引言  41
  3.2 模型预测控制算法  41-45
    3.2.1 预测控制算法概述  41-43
    3.2.2 多变量GPC算法  43-45
  3.3 基于多层次多模型的预测控制算法架构  45-48
    3.3.1 多层次多模型预测控制算法工作原理  46
    3.3.2 算法结构及步骤  46-48
  3.4 实验仿真  48-53
  3.5 本章小结  53-55
第4章 多层次多模型切换方法  55-77
  4.1 引言  55
  4.2 不同层次模型对控制性能的影响研究  55-56
  4.3 基于输出偏差及其变化率的多层次多模型切换方法  56-65
    4.3.1 算法步骤  57-59
    4.3.2 pH中和过程仿真  59-65
  4.4 多层次多模型的简化切换方法  65-76
    4.4.1 简化切换方法1及仿真  65-70
    4.4.2 简化切换方法2及仿真  70-74
    4.4.3 简化切换方法3及仿真  74-76
  4.5 本章小结  76-77
第5章 总结与展望  77-79
  5.1 内容总结  77-78
  5.2 研究展望  78-79
参考文献  79-87
附录A:个人简历  87
附录B:攻读硕士期间科研成果  87

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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