第３３卷第ｌ１期　

２０１３年１１月　湖北广播电视大掌掌报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＨｕＢｅｉ　ＴＶ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．１１　

Ｎｏｖｅｍｂｅ￣２０１３．１５７～１５８　

预测控制算法的研究现状与展望　

侯　宁　

（无锡市广播电视大学，江苏无锡２１４０１１）　

［内容提要］　预测控制是一种新型的控制算法，该算法最早是在２０世纪７０年代由Ｒｉｃｈａｌｅｔ．Ｊ在其论文著作　

中提出。随着控制技术的不断发展以及学者的不断研究与应用，如今预测控制的相关研究已经逐渐趋近于成熟。　

通过对预测控制的发展和预测控制算法的现状进行探讨，主要包括理论研究与应用研究的分析、算法分析等内容。　阐述了当前预测控制在工业控制领域中的发展、算法的现状和今后的研究展望。　

［关键词］预测控制；算法；非线性　

［中图分类号］ＴＭ７４　［文献标识码］Ａ　［文章编号］　１００８．７４２７（２０１３）１１－０１５７．０２　

１．预测控制理论与应用　１．１理论研究　

近年来，对预测控制理论的研究主要对已有预测控制算　

法进行鲁棒性与稳定性的理论方面的分析，根据分析来提出　

了一些新的算法。在鲁棒性分析存在着一定建模误差时，学　

者对其进行了深入的研究与探讨，但是定量描述的具有实质　

性的领域方面研究成果较少。关于预测控制中的跟踪性能与　抗干扰性能方面的研究，通过分析与探讨，最后有了一定的　

成果，但是仍需要对其进行更高层次的研究。关于影响预测　

控制的因素，尤其是设计参数对鲁棒性、稳定性等的影响方　

面，还存在研究不够深入的问题。除此之外，在对模型和对　

象匹配的稳定性方面的分析上，当模型参数未知时的稳定性　

的研究并没有较多成功的研究结果。　１．２应用研究　

十几年来，预测控制作为一种新颖的控制方法，在其算　

法不断改进和理论不断完善的同时，也取得了成功的应用实　

例。目前预测控制发展为可应用于非线性、时变、多变量的　

多种新型预测控制技术，并在各个领域中获得了较大规模的　成功应用。如空天飞行器再入制导的预测控制、机器人非线　

性连续预测控制、再热汽温解棍预测控制、原油减压蒸馏塔　

侧线温度多变量预测控制、混合约束过程的多变量协调预测　

控制、液位系统的多模型广义预测控制研究、罗非鱼真空冷　

冻干燥温度的智能预测控制等等，都体现了预测控制算法在　实际应用中的优势，使系统得到了良好的改善，节省了能源，　

提高了效率，也为企业带来了巨大的利润。　２．预测控制的研究现状与算法　

２．１模型预测控制　

模型预测控制（ｍｏｄｅ１　ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ＭＰＣ）是一种　

基于模型的闭环优化控制策略，较广泛地应用于工业生产过　

程中。其算法的核心是：采用基于脉冲响应的非参数模型作　

为内部模型（预测模型），不需知道对象结构和参数的有关　

先验知识，也无需复杂的系统辨识，在线滚动优化使未来～　段时间内被控量与期望轨迹间的误差晟小，且在优化过程中　

不断进行实测系统输出与预测模型的误差来进行反馈校正，　

所以能够克服预测模型误差和不确定性干扰的影响，增强系　

统的鲁棒性。　

２．２动态矩阵控制　

［收稿日期］２０１３－０９．１４　

作者系无锡市广播电视大学机电工程系副教授，东南大学访问学者。　动态矩阵控制（ｄｙｎａｍｉｃ　ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ＤＭＣ）算法是　

一种基于对象阶跃响应预测模型、采用多步滚动优化与反馈　校正相结合的优化控制算法。ＤＭＣ的预测模型是根据对象　

的阶跃响应而获得的，然后根据线性系统的比例与叠加性　

质，利用这一模型由给定的输入控制增量来预测系统在未来　

时刻的输入量，是一种增量算法。能直接处理带有纯滞后的　

对象，有良好的跟踪性能，该算法比较简单且并不需要精确　的数学模型，计算量较少，对模型失配有较强的鲁棒性，适　

用于具有纯滞后或非最小相位的情况。　

２．３鲁棒预测控制　

鲁棒预测控制是当使用线性参考模型的预测控制理论　在非线性控制过程中的应用受到质疑的情况下诞生的。　

ＭＰＣ鲁棒性问题的研究分为鲁棒分析和鲁棒综合两个方　

面，其中，鲁棒性分析主要是基于ＩＭＣ框架、输入输出描　

述框架以及状态空间框架；鲁棒综合问题则建立在被控对象　

模型不确定性描述基础上。目前大多数鲁棒ＭＰＣ的设计都　

是基于ｍｉｎ．ｍａｘ描述，具有控制的思想，将ＭＰＣ在线约　束的ｍｉｎ优化问题转化为ｍｉｎ．ｍａｘ优化，求解控制律使系　

统在不确定性最坏情况下的目标函数值最小。　

２．４内模控制　

内模控制（Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｍｏｄｅ１　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＩＭＣ）首次被提　

出是在１９８２年，是一种基于过程数学模型进行控制器设计　

的新型控制策略。内模控制器由控制器和滤波器两部分组　成，两者对系统的作用相对独立，前者影响系统的响应性能，　

后者影响系统的鲁棒性。ＩＭＣ设计简单、跟踪性能好、鲁　

棒性强，能消除不可测干扰的影响，一直为控制界所重视。　

内模控制具有的通用结构使系统闭环特性的分析变得更加　

简便容易的工具。内模控制和预测控制的结合使内模控制不　

断得到改进并广泛应用于工程实际中，取得了较好的控制效　果。　

２．５广义预测控制　

广义预测控制（ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ＧＰＣ），　

该算法最初以采用ＣＡＲＩＭＡ模型来描述受随机干扰的对　

象，并采用二次优化性能指标和反馈校正的策略，克服了实　

际系统存在非线性、时变、模型失配、干扰等因素，使系统　

的鲁棒性得到增强。随着研究的深入，有学者将其推广到其　

它的数学模型，如状态空间方程、ＣＡＲＭＡ模型等等。采用　１５８　湖北广播电视大学学报　第１１期　

状态空间模型描述，能方便的描述系统内部的状态，并可在　

控制器设计时有效的利用这些状态信息，能改善控制性能。　２．６预测函数控制　

特别指出的是，Ｒｉｃｈａｌｅｔ在ＭＡＣ的基础上提出了一种　

新的预测控制方法——预测函数控制（ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　

ｃｏｎｔｒｏｌ，ＰＦＣ）。ＰＦＣ具有一般预测控制的三大特点，与其　

他预测控制算法的最大区别是注重控制量的结构形式，认为　控制输入量是一组预先选定好的基函数的线性加权组合。这　

样系统输出就是基函数作用于对象的响应，即加权组合。对　

目标函数进行优化，求出基函数的线性加权系数，达到求解　

控制输入的目的。其特点：控制量计算方程简单，实时计算　

量小，适用于快速系统的控制。　２．７智能预测控制　

随着工业的发展对生产过程提出了越来越高的要求，往　

往希望能对复杂生产过程实现综合控制，这就要求预测控制　

的发展引入新思路、新方法，追求更先进的控制策略。为此　

有学者将智能控制中的一些方法引入到预测控制中，使预测　

控制向智能化的发展，从而形成当前预测控制的一大研究方　

向…智能预测控制。最具代表性的有模糊预测控制、神经网　络预测控制、遗传算法预测控制。智能预测控制更好地解决　

复杂工业过程中的不确定性、多目标优化等问题。　

３．预测控制的研究展望　

３．１给出理论分析的定量结果　

预测控制的发展与实际应用是紧密相关的，就目前来看　

定性的研究为多于定量的研究，特别是对稳定性、鲁棒性的　分析难于有相关解析关系的结论；再有如何解决参数设计与　

系统性能的关系方面还没有通用的原则，因此在大量定性分　

析研究的基础上突破定量分析的瓶颈仍是今后努力研究的　

一个方向。　

３．２研究非线性系统的预测控制　目前大部分的相关研究多为线性预测控制方面的，而非　

线性系统的预测控制相关研究较少，由于实际工业过程多为　

非线性系统，采用非线性的预测控制策略理应优于线性预测　

控制。因此非线性系统的预测控制是十分重要的，因为滚动　

优化与反馈校正都是以它为基础的。目前主要是针对一些特　

殊模型进行的，还没有通用的非线性预测控制方法。因而关　

于非线性预测控制理论与应用将会是今后预测控制的重要　方向。　

３．３加强预测控制的应用研究　

当前，预测控制的研究在理论分析方面虽然遇到了一定　

的困难，很难继续深入下去，但不可否认的是，其有着非常　

乐观的应用前景。所以，应该不断加强对预测控制的应用研　

（上接Ｐｌ５１页）　（３）建立有效的激励机制，促进教师间的良性竞争。多　数学者认为特殊教育教师是教师行业中面临挑战更大和所　遇困难更多的群体，担任着非常劳累、非常烦琐的工作，因　此各地政府部门应该出台一些激励性政策，促使特殊教育教　师更好地全身心投入到特殊教育事业之中。还有学者呼吁教　育部门和学校不仅要为特殊教育教师提供物质保障，更要关　注其心理健康，为他们的工作创造一个和谐的人文环境，进　而减缓特殊教育教师的压力，提高其心理健康水平，促进其　工作效率的提高。　５．特殊教育教师专业化意义的探索　学者们普遍认为发展教师专业化是特殊教育现代化的　重要标志，促进特殊教育教师专业化发展和专业发展是建设　高质量、高素质的特教教师队伍的重要策略，也是确保特殊　教育高水平、高质量的重要前提。　三、总结　通过以上的综述可以看出国外的特殊教育教师专业化　究，从而持续推动预测控制不断向更高层次发展。这就要求　

相关人员应该从以下两方面做起：（１）广泛应用，解决实际　

问题，并在应用中发现问题，找到能推动理论研究深入进行　的启发思路，为最终解决理论分析问题作出贡献；（２）加强　

预测控制的应用技术研究。应用技术问题，是纯理论研究中　

所不能涵盖的，但是，预测控制算法有效应用在实际问题当　

中却是非常重要的，因为在实际应用中，人类可以通过和计　算机的人机对话技术参与到整个的控制过程当中，并通过掌　

握一些应用技术提高预测控制的性能。　

４．结语　

随着生产力的发展和技术的不断进步，人们从最初的　

ＰＩＤ技术的使用逐渐转变为预测控制系统的广泛应用，预测　

控制以其强大的生命力，具有广阔的发展空间，这必将推动　预测控制理论的发展，相信在广大学者的共同努力下，不远　

的将来预测控制技术的发展将会取得更多的突破。　

［参考文献］　［１］Ｒｉｃｈａｌｅｔ　Ｊ，Ｒａｕｌｔ　Ａ．Ｍｏｄｅｌ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　Ｈｅｕｒｉｓｔｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｔｏＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＰｒｏｃｅｓｓ田．Ａｕｔｏｍａｔｉ－ｃａ，１９７８，（５）．　［２】席裕庚．预测控制［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９３．　【３】许超，陈治纲，邵惠鹤．预测控制技术及应用发展综述［Ｊ】．化　工自动化及仪表，２００２，（３）．　［４】胡国龙，孙优贤．预测控制进展及其应用研究ｍ．电力系统及　其自动化学报，２００３，（５）．　【５】李书臣，徐心和，李平．预测控制最新算法综述『Ｊ］．系统仿真　学报，２００４，（６）．　【６］韩春艳，刘晓华．基于输出反馈的不确定连续系统的鲁棒预测　控制ｆＪ１．信息与控制２００６，（６）．　【７】杜晓宁，席裕庚，李少远．复杂系统的预测控制研究ｍ．电气　自动化，２０００，（５）．　［８］８杨建军，刘民，吴澄．基于遗传算法的非线性模型预测控制方法　

．控制与决策，２００３，（３）．　［９】Ｓｈｅｎｇ　ｙｕｎｌｏｎｇ，Ｓｕ　ｈｏｒｔｇｙｅ，Ｃｈｕ　ｊｉａｎ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　Ｐｏｌｙｔｏｐｉｃ　Ｕｎｃｅｒｔａｉｎ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｉｔｈ　Ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ　Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ　Ｓａｔｉｓｆａｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＣｏｎｔｒｏｌＴｈｅｏｒｙ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００３，（２）．　［１０】高延英，纪彬，白广利．基于模型预测控制在温度控制中的应　用　．自动化技术与应用，２０１１，（６）．　［１１］李灿军，彭辉．液位系统的多模型广义预测控制研究［Ｊ］．计算　机工程与应用，２０１１，（２７）．　［１２】刘福才，王娟，王玉琴．具有稳定性的新型预测控制算法【Ｊ１．　系统仿真学报，２００４，（１）．　［１３］王洪瑞，陈志旺，李建雄．非线性系统参数自适应直接广义预　测控制　．自动化学报，２００７，（１０）．　【１４］王俊，雷勇．模糊预测控制在时滞系统中的应用　．自动化技　术与应用，２００７，（３）．　【ｌ５］张泉灵，王树青．化学反应器温度跟踪预测函数控制的研究及　应用　．控制理与应用，２００１，（４）．　－　［１６】张日东，王树青．基于神经网络的非线性系统预测函数控制［Ｊ］　控制理与应用，２００７，（６）．　

研究理论具有一定的可操作性，从其现状看特殊教育教师的　专业化能够满足特殊需要教育理念的要求。国内的研究比较　细化，范围也比较广泛从发展专业化的内涵——专业化的内　容——专业化发展存在的问题——策略等的研究。充分说明　特殊教育领域的研究者已经充分意识到特殊教育教师专业　化对特殊教育事业的促进作用。然而至于每一种特殊需要教　育教师的专业化的发展研究尚有欠缺，因此其操作性相对减　弱，同时专业化的理论基础也不明确，这些都对我们将来涉　及此领域的研究具有一定的启发。　

［参考文献］　［１］１杨慎耘．特校职教师资队伍专业化建设的问题与对策研究　［Ｊ］．现代特殊教育，２００８．　【２］吴筱雅．中美两国特殊教育教师在职培训现状分析　．现代特　殊教育，２００９．　［３］３汪斯斯，雷江华．中美特殊教育教师专业化发展之比较【Ｊ］．现　代特殊教育，２００７，（６）．　．