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模型预测控制—MPC Model Predictive Control
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模型预测控制的发展背景(1)
❖ 现代控制理论及应用的发展与特点
要求
❖ 精确的模型 ❖ 最优的性能指标 ❖ 系统的设计方法
应用
❖ 航天、航空 ❖ 军事等领域
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模型预测控制的发展背景(2)
❖ 工业过程的特点
多变量、非线性、时变性、强耦合、 性
内部(预测)模型、滚动优化、反馈控制
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预测模型(内部模型)（1）
❖ 预测模型的功能
根据被控对象的历史信息和未来输入，预测系 统未来响应。
❖ 预测模型形式
参数模型：如微分方程、差分方程 非参数模型：如脉冲响应、阶跃响应
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预测模型(内部模型)（2）
❖ 基于模型的预测示意图
过去
未来
3
y
4
1
u
2
2
（1） 模型辨识的新工具 目前，为了完成象反应器这样的主要
工业生产过程动态性能的测试，需要耗 费数周的时间，这给工程技术人员带来 很大的工作量，迫切需要更好和更有效 的过程动态响应测试和能更充分利用统 计信息辨识出动态模型的方法。
3
（2）自适应模型预测控制 针对那些变增益的工业过程，如油
品调合和pH控制等过程，需要应用自适 应控制的思想来改进多变量模型预测控 制器性能，例如模型参数预测等方法的 研究和开发。
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（3）非线性模型预测控制 普遍应用的模型预测控制软件包采用的
是线性模型，在碰到内在非线性问题时，必 须将其参数整定得以确保在整定操作区域内 的稳定性，其后果是对许多操作区域的控制 作用过于迟缓。为了根本解决这一问题，迫 切需要非线性模型预测控制工程化软件。
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(4)多元统计监控 随着计算机集成控制的广泛应用，大量信号
和控制回路的集中管理监督和性能的评判 ，已 成为工艺操作者的主要责任，如何加强计算机监 控是当今现代工厂企业的重要内容。传统的统计 过程控制在处理含有耦合变量的连续过程单元时， 通常会导致错误。然而，随着主元分析（PCA） 和部分最小二乘 （PLS）技术的工程化应用研究 开发，并进入到在线应用阶段，含PCA和PLS的多 元统计监控的应用将会日益增多。
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反馈校正(误差校正) (2)
❖ 误差校正示意图 2
4 3
y
1
u
k k+1
t/T
1─k时刻的预测输出 2─１时刻实际输出 3─预测误差 4─k＋１时刻校正后的预测输出
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2 动态矩阵控制(DMC)
❖ 基于被控对象的单位阶跃响应
适用于渐近稳定的线性对象
即，设一个系统的离散采样数据{a1，a2 ，…， aN}（如P17的示意图），则有限个采样周期
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工厂自动化水平对先进控制影响
先进控制是在常规控制正常运行的前 提下进行的。而不同企业、不同装置自动 化水平参差不齐，这给先进控制的工程应 用带来了较大的困难，即使实施了先进控 制，有时也难以长周期地运行。
中国石油化工企业的常规控制投用率 都不是太高，个别生产装置只有 3 5%， 大致有以下几方面的原因：
后， 满足
aN a()
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动态矩阵控制(DMC)
❖ DMC算法中的模型参数
有限集合aT={a1，a2 ，…，aN} 中的参数可完
全描述系统的动态特性N称为建模时域。
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
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1 预测控制的基本原理
❖ 1978年，J.Richalet等就提出了预测控 制算法的三要素：
内部(预测)模型、参考轨迹、控制算法
❖ 现在一般则更清楚地表述为：
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预测控制的特点（2）
❖ 对模型要求不高 ❖ 鲁棒性可调 ❖ 可处理约束(操作变量MV、被控变量CV) ❖ 可处理“方”、“瘦”、“胖”，进行自
动转换 ❖ 可实现多目标优化（包括经济指标） ❖ 可处理特殊系统：非最小相位系统、伪积
分系统、零增益系统
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目前预测控制的发展方向
❖ 多变量预测控制系统的稳定性、鲁棒性
❖ 滚动优化示意图
k时刻优化
yr
y
2 1
3
u
k+1时刻优化
2
yr
1
y
3
u
k k+1
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
20 t/T
反馈校正(1)
❖ 每到一个新的采样时刻，都要通过实际测到 的输出信息对基于模型的预测输出进行修正， 然后再进行新的优化。不断根据系统的实际 输出对预测输出值作出修正使滚动优化不但 基于模型，而且利用了反馈信息，构成闭环 优化。
❖ 工业过程对控制的要求
高质量的控制性能 对模型要求不高 实现方便
不确定
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预测控制的特点（1）
❖ 建模方便,不需要深入了解过程内部机理 ❖ 非最小化描述的离散卷积和模型,有利于
提高系统的鲁棒性 ❖ 滚动的优化策略,较好的动态控制效果 ❖ 不增加理论困难,可推广到有约束条件、
大纯滞后、非最小相位及非线性等过程 ❖ 是一种计算机优化控制算法
流程工业生产过程的 先进控制及其应用
东华大学自动化系：任正云
2012年3月
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先进控制面临的挑战
先进控制的广泛应用，为企业带来 了显著的经济效益。另一方面，在实施 先进控制的过程中，也会碰到许多富有 挑战性的问题，反过来又促进先进控制 向更高层次发展。下面扼要介绍目前在 实现先进控制策略中面临的几个主要问 题。
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❖ 常规控制设计不尽合理，难以投用。特别是 串级和分级等复杂控制，投用率更低。
❖ 常规控制的PID参数整定不合适。 ❖ 操作工习惯手动调节，操作工感觉手动调节
直接开闭调节阀更安全可靠。
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❖ 工艺、设备条件制约先进控制的应用。 ❖ 企业配合，先进控制工程应用过程本身
就是一个系统工程。项目进行前期，要 有仪表、计算机方面的配合；项目进行 后期，主要是工艺方面的配合；先进控 制系统试运行期间，需要仪表、计算机、 工艺、生产调度、计量、化验分析和在 线分析等各方面配合和协调。
k 时刻
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
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滚动优化(在线优化）(1)
❖ 控制目的
通过某一性能指标的最优, 确定未来的控制作用
❖ 优化过程
随时间推移在线优化，反复进行 每一步实现的是静态优化 全局看却是动态优化
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滚动优化(在线优化) (2)