復雜系統(tǒng)的應用魯棒預測控制

第１ 章　緒論…………………………………………………………………… １
１．１　本書的背景和意義…………………………………………………… １
１． ２　模型預測控制的發(fā)展歷史…………………………………………… ２
１． ２．１　ＭＰＣ 發(fā)展的理論基礎………………………………………… ４
１． ２． ２　過程控制應用………………………………………………… ５
１． ３　模型預測控制的基本原理及特征…………………………………… ５
１． ３． １　模型預測控制的基本原理…………………………………… ５
１． ３． ２　模型預測控制的特征………………………………………… ７
１． ４　非線性模型預測控制的研究現(xiàn)狀…………………………………… ８
１．４． １　典型的非線性模型預測控制方案…………………………… ８
１．４．２　穩(wěn)定性與魯棒性研究………………………………………… １２
１．４．３　計算問題……………………………………………………… １４
１． ４． ４　非線性模型預測控制應用…………………………………… １５
１． ４．５　將來的研究展望……………………………………………… １５
１． ５　本書的研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排………………………………………… １６
參考文獻…………………………………………………………………… １８
第２ 章　預測控制的數(shù)學基礎與基本方法………………………………… ２５
２．１　線性矩陣不等式……………………………………………………… ２５
２． ２?。樱悖瑁酰?補和Ｓ 過程…………………………………………………… ２５
２． ２． １　Ｓｃｈｕｒ 補……………………………………………………… ２５
２． ２． ２?。?過程………………………………………………………… ２６
２． ２． ３　矩陣求逆……………………………………………………… ２６
２． ３　不變集………………………………………………………………… ２７
２．３．１　不變集基本原理……………………………………………… ２７
２． ３．２　控制約束的處理……………………………………………… ２８
２． ４　模型預測控制的一般形式…………………………………………… ２９
２．４． １　問題描述……………………………………………………… ２９
２．４．２　性能指標的上界……………………………………………… ２９
２．４．３　離散線性系統(tǒng)的預測控制算法……………………………… ３０
２．４．４　控制約束……………………………………………………… ３２
２． ４．５　預測控制算法的改進………………………………………… ３３
２． ４．６　穩(wěn)定性分析…………………………………………………… ３４
２． ５　魯棒預測控制………………………………………………………… ３６
２． ６　本章小結(jié)……………………………………………………………… ３８
參考文獻…………………………………………………………………… ３８
第３ 章　時滯系統(tǒng)的魯棒預測控制………………………………………… ４０
３． １　引言…………………………………………………………………… ４０
３． ２　終端橢圓集約束的時滯系統(tǒng)預測控制……………………………… ４１
３． ２．１　時滯系統(tǒng)的不變橢圓集……………………………………… ４１
３．２． ２　終端橢圓集約束的預測控制………………………………… ４３
３． ２．３　帶有混合約束的時滯系統(tǒng)預測控制………………………… ４７
３． ２．４　仿真研究……………………………………………………… ４８
３． ３　范數(shù)有界時滯系統(tǒng)的魯棒預測控制………………………………… ５０
３． ３． １　系統(tǒng)描述……………………………………………………… ５０
３． ３． ２　主要結(jié)果……………………………………………………… ５０
３． ３． ３　討論…………………………………………………………… ５６
３． ３． ４　仿真研究……………………………………………………… ５７
３．４　多胞型不確定時滯系統(tǒng)的魯棒模型預測控制……………………… ５９
３．４． １　系統(tǒng)描述……………………………………………………… ５９
３． ４． ２　主要結(jié)果……………………………………………………… ６０
３． ５　多胞型時滯系統(tǒng)的準Ｍｉｎ － Ｍａｘ 魯棒預測控制…………………… ６３
３． ５． １　問題描述……………………………………………………… ６３
３． ５． ２　仿真研究……………………………………………………… ６７
３． ６　本章小結(jié)……………………………………………………………… ７２
參考文獻…………………………………………………………………… ７２
第４ 章　切換系統(tǒng)的魯棒預測控制………………………………………… ７４
４．１　引言…………………………………………………………………… ７４
４． ２　模型描述……………………………………………………………… ７５
４．３　參數(shù)攝動切換系統(tǒng)預測控制………………………………………… ７６
４．３．１　問題１ 的解決………………………………………………… ７６
４．３． ２　問題２ 的解決………………………………………………… ７９
４．３． ３　問題３ 的解決………………………………………………… ７９
４． ３． ４　橢圓集的線性切換系統(tǒng)的魯棒控制………………………… ８０
４． ３． ５　仿真結(jié)果１ …………………………………………………… ８０
４．３．６　仿真結(jié)果２ …………………………………………………… ８１
４． ４　時滯切換系統(tǒng)模型預測控制………………………………………… ８３
４． ４． １　問題描述……………………………………………………… ８４
４． ４．２　橢圓集與輸入約束的時滯切換系統(tǒng)ＭＰＣ 算法…………… ８５
４．４． ３　仿真研究……………………………………………………… ９０
４．５　本章小結(jié)……………………………………………………………… ９１
參考文獻…………………………………………………………………… ９１
第５ 章　分段仿射系統(tǒng)的魯棒預測控制…………………………………… ９３
５． １　切換系統(tǒng)的推廣―分段仿射系統(tǒng)…………………………………… ９３
５． ２　分段仿射模型的建立………………………………………………… ９４
５． ３　分段仿射系統(tǒng)研究的熱點問題……………………………………… ９５
５． ４　分段仿射系統(tǒng)的應用………………………………………………… ９６
５． ５　分段仿射系統(tǒng)的平衡點與區(qū)域劃分………………………………… ９８
５． ５． １　分段仿射系統(tǒng)的平衡點……………………………………… ９８
５． ５． ２　分段仿射系統(tǒng)的區(qū)域劃分…………………………………… ９８
５． ５． ３　區(qū)域劃分的橢圓集表示……………………………………… ９９
５． ５． ４　平衡點與橢圓集的坐標變換……………………………… １００
５． ６　分段仿射系統(tǒng)的預測控制………………………………………… １００
５．６． １　問題描述…………………………………………………… １００
５．６．２　性能指標的上界…………………………………………… １０１
５． ６．３　終止區(qū)域劃分的橢圓集描述……………………………… １０２
５． ６． ４　分段仿射系統(tǒng)的預測控制算法…………………………… １０２
５． ６． ５　控制約束…………………………………………………… １０９
５． ６． ６　分段仿射系統(tǒng)的預測控制算法改進……………………… １１０
５．６． ７　穩(wěn)定性分析………………………………………………… １１２
５．７　多胞不確定ＰＷＡ 系統(tǒng)的預測控制……………………………… １１３
５．７．１　系統(tǒng)描述…………………………………………………… １１３
５． ７．２　性能指標優(yōu)化問題………………………………………… １１５
５． ７． ３　控制約束問題……………………………………………… １２０
５．７．４　穩(wěn)定性分析………………………………………………… １２１
５． ７． ５　仿真研究…………………………………………………… １２２
５． ８　本章小結(jié)…………………………………………………………… １２４
參考文獻…………………………………………………………………… １２４
第６ 章　非線性系統(tǒng)的魯棒模糊預測控制………………………………… １２８
６． １　引言………………………………………………………………… １２８
６．２　預備知識…………………………………………………………… １２８
６． ２．１?。?－ Ｓ 模糊模型……………………………………………… １２９
６． ２．２　模糊調(diào)節(jié)器………………………………………………… １３０
６．３　基于模糊調(diào)節(jié)器的魯棒非線性模型預測控制…………………… １３０
６． ３．１　魯棒模型預測控制問題描述……………………………… １３１
６． ３． ２　無約束系統(tǒng)魯棒模型預測控制…………………………… １３１
６． ３． ３　約束系統(tǒng)魯棒模型預測控制……………………………… １３３
６． ３．４　滾動實現(xiàn)的可行性………………………………………… １３５
６． ３．５　閉環(huán)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性……………………………………… １３６
６． ３． ６　討論………………………………………………………… １３７
６． ４　一種基于模糊模型的準魯棒模型預測控制方法………………… １３７
６． ４． １　問題描述…………………………………………………… １３７
６． ４． ２　準魯棒模型預測控制……………………………………… １３８
６． ４． ３　滾動實現(xiàn)的可行性………………………………………… １４１
６． ４． ４　閉環(huán)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性……………………………………… １４２
６． ４． ５　討論………………………………………………………… １４３
６． ４．６　仿真研究…………………………………………………… １４３
６．５　不確定模糊系統(tǒng)魯棒模型預測控制……………………………… １４４
６． ５． １　系統(tǒng)描述…………………………………………………… １４５
６． ５． ２　模糊不確定系統(tǒng)非線性鎮(zhèn)定……………………………… １４６
６． ５． ３　并行分布補償控制律……………………………………… １４９
６． ６　基于狀態(tài)反饋的魯棒模型預測控制……………………………… １４９
６．６． １　魯棒性能指標上界………………………………………… １４９
６． ６． ２　穩(wěn)定性約束………………………………………………… １５０
６． ６． ３　極小化問題………………………………………………… １５１
６．６． ４　輸入約束…………………………………………………… １５２
６．６． ５　輸出約束…………………………………………………… １５２
６．６． ６　約束系統(tǒng)魯棒模型預測控制……………………………… １５４
６． ６． ７　滾動實現(xiàn)的可行性與魯棒性……………………………… １５４
６． ７　基于并行分布補償控制器的魯棒模型預測控制………………… １５５
６． ７． １　無約束魯棒ＭＰＣ …………………………………………… １５５
６． ７．２　約束魯棒ＭＰＣ ……………………………………………… １５６
６． ７． ３　仿真研究…………………………………………………… １５８
６． ８　基于Ｔ － Ｓ 模型的非線性時滯系統(tǒng)預測控制…………………… １６０
６． ８． １　系統(tǒng)描述…………………………………………………… １６０
６． ８． ２　主要結(jié)果…………………………………………………… １６２
６．８． ３　仿真研究…………………………………………………… １６７
６．９　本章小結(jié)…………………………………………………………… １６９
參考文獻…………………………………………………………………… １６９
第７ 章　非完整約束系統(tǒng)的預測控制研究………………………………… １７１
７． １　基本概念與問題…………………………………………………… １７１
７． １． １　非完整系統(tǒng)定義…………………………………………… １７１
７． １． ２　移動機器人的非完整約束………………………………… １７１
７．２　移動機器人的建?！?１７３
７．２． １　笛卡兒坐標系下的機器人運動學模型…………………… １７３
７． ２．2分幾何工具……………………………………………………… １７８
７． ４　移動機器人的可控性與可鎮(zhèn)定性………………………………… １８１
７． ５　機器人模型的問題描述及跟蹤控制器設計……………………… １８２
７． ５． １　針對模型的問題描述……………………………………… １８２
７． ５． ２　跟蹤控制器的設計………………………………………… １８６
７．５．３　仿真………………………………………………………… １８８
７． ６　欠驅(qū)動無人艇的預測控制算法…………………………………… １９０
７． ６． １　無人艇的欠驅(qū)動控制……………………………………… １９０
７． ６．２　問題描述…………………………………………………… １９０
７．６． ３　控制器設計………………………………………………… １９２
７． ６． ４　仿真結(jié)果…………………………………………………… １９８
７． ７　本章小結(jié)…………………………………………………………… １９９
參考文獻…………………………………………………………………… ２００
第８ 章　高超聲速飛行器的再入預測控制………………………………… ２０１
８． １　引言………………………………………………………………… ２０１
８． ２　高超聲速飛行器的再入非線性模型……………………………… ２０３
８． ３　基于ＳＤＲＥ 的再入控制器設計…………………………………… ２０４
８． ３． １　基于奇異攝動理論的再入ＳＤＲＥ 控制器………………… ２０５
８． ３． ２　仿真研究…………………………………………………… ２０７
８． ４　基于ＳＤＲＥ 的再入約束預測控制………………………………… ２０８
８． ４． １　再入飛行器的外環(huán)預測控制……………………………… ２０８
８． ４． ２　再入飛行器的內(nèi)環(huán)預測控制……………………………… ２１２
８． ４． ３　仿真研究…………………………………………………… ２１３
８． ５　控制受限的再入魯棒預測控制…………………………………… ２１３
８． ５． １　基于參考模型的外環(huán)設計………………………………… ２１３
８． ５． ２　基于預測控制的內(nèi)環(huán)設計………………………………… ２１５
８．５． ３　仿真研究…………………………………………………… ２１８
８． ６　本章小結(jié)…………………………………………………………… ２２０
參考文獻…………………………………………………………………… ２２０
第９ 章　水面艇自主航跡跟蹤過程中的預測控制………………………… ２２２
９． １　引言………………………………………………………………… ２２２
９． ２　水面無人艇航跡跟蹤控制系統(tǒng)建?！?２２３
９． ３　坐標系的建立……………………………………………………… ２２３
９．４　船舶的運動方程和水動力分析…………………………………… ２２４
９． ４． １　船舶的運動方程…………………………………………… ２２４
９． ４． ２　船舶水動力分析…………………………………………… ２２５
９． ５　舵機模型…………………………………………………………… ２２６
９． ６　水面船舶航跡跟蹤控制模型……………………………………… ２２６
９．７　水面無人艇航跡跟蹤預測控制…………………………………… ２３０
９． ８　拉格朗日乘子法處理輸入約束…………………………………… ２３２
９．９　仿真研究………………………………………………………… ２３４
９． ９．１　不同預測時域的控制器仿真……………………………… ２３４
９． ９． ２　不同加權(quán)矩陣的控制器仿真……………………………… ２３５
９． １０　基于干擾觀測器的水面無人艇航跡跟蹤預測控制……………… ２３７
９． １０． １　干擾觀測器的設計………………………………………… ２３７
９．１０． ２　基于干擾觀測器的模型預測控制器設計………………… ２３９
９．． １０． ３　基于干擾觀測器的模型預測控制器穩(wěn)定性分析………… ２４２
９． １０． ４　仿真研究…………………………………………………… ２４２
９． １１　模型預測控制在自航模航跡跟蹤上的應用……………………… ２４６
９．１１． １　自航模系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)…………………………………… ２４６
９． １１．２　自航模系統(tǒng)硬件設計……………………………………… ２４７
９． １１． ３　自航模系統(tǒng)軟件設計……………………………………… ２４８
９．１１．４　自航模航跡跟蹤控制實驗………………………………… ２４９
９． １２　自航模航跡跟蹤控制實驗結(jié)果…………………………………… ２５１
９． １２． １　無擾動自航模航跡跟蹤…………………………………… ２５１
９．１２． ２　有擾動自航模航跡跟蹤…………………………………… ２５２
９．１３　本章小結(jié)…………………………………………………………… ２５４
參考文獻…………………………………………………………………… ２５４