工业预测控制

　　本书根据作者近年来的科研成果和应用实践，从科学原理、整体技术、理论要点、实施细节诸方面对双层结构预测控制这一工业预测控制的主流技术进行了全面的介绍，旨在搭建工程实践与理论之间的桥梁，以此促进工业预测控制技术在我国的研究与应用。书中围绕双层结构预测控制的框架，详细地阐述了工业预测控制所涉及的基础理论和应用技术，包括模型辨识、状态估计、开环预测、稳态目标计算、动态控制实现等。

　　丁宝苍，男，2000年5月毕业于石油大学（北京），获得硕士学位，2003年6月毕业于上海交通大学，获得博士学位。于2005年9月赴加拿大阿尔伯塔大学做博士后1年，2006年11月赴新加坡南洋理工大学做博士后9个月。目前任职于西安交通大学，任教授/博导。　主要从事先进控制理论与工程应用、预测控制等研究工作，率先开展含有界噪声的多胞描述系统的输出反馈预测控制的稳定性设计，并给出系列解决方案。　曾担任多个国际SCI、EI期刊的首席客座编辑、客座编辑和协助编辑，是几乎所有控制理论类国际、国内期刊的评审人。发表论文160余篇，其中SCI收录50余篇，含首席和通讯作者的Automatica、IEEE Trans. Automatic Control和IEEE Trans. Fuzzy Systems论文共计17篇，出版《Modern Predictive Control》等专著3部，主持各类横向、纵向科研项目20余项，获国家发明专利4项，入选2008年教育部新世纪人才支持计划。长期讲授《泛函分析》和《先进控制理论》等课程。

《电气自动化新技术丛书》序言 第6届《电气自动化新技术丛书》编辑委员会的话 序 前言 第1章绪论1 1.1预测控制的发展背景1 1.2预测控制的变量选择2 1.3工业预测控制的基本结构4 1.4常用的数学知识6 1.4.1确定性过程6 1.4.2随机过程7 1.4.3最小二乘估计原理9 1.5工业预测控制的数学模型10 1.5.1多变量系统模型11 1.5.2动态模型与稳态模型17 1.6本书内容编排18 第2章状态估计与开环预测20 2.1投影理论21 2.1.1线性最小方差估计和投影22 2.1.2新息序列和递推投影公式24 2.2Kalman滤波器和预报器25 2.2.1Kalman滤波器26 2.2.2Kalman预报器30 2.2.3时变系统、有色噪声和噪声相关情形32 2.3稳态Kalman滤波器与预报器36 2.4基于阶跃响应模型和Kalman滤波器的开环预测39 2.4.1稳定型CV的开环预测40 2.4.2积分型CV的开环预测43 第3章稳态目标计算方法 45 3.1实时优化和外部目标46 3.2稳态目标计算的经济优化和目标跟踪问题47 3.2.1稳态目标计算的经济优化方法47 3.2.2稳态目标计算的目标跟踪问题52 3.3稳态目标计算的可行性判定与软约束调整53 3.3.1可行性判定与软约束调整的加权方法54 3.3.2可行性判定与软约束调整的优先级方法57 3.3.3软约束调整与经济优化的折中62 3.4线性与二次规划63 3.4.1线性规划算法描述63 3.4.2二次规划算法描述68 第4章稳定过程的双层结构动态矩阵控制72 4.1开环预测模块73 4.1.1开环动态与稳态预测值74 4.1.2开环预测误差76 4.2稳态目标计算模块76 4.2.1将约束统一为关于MV稳态增量的形式77 4.2.2引入辅助变量和松弛变量，将约束统一为不含MV稳态增量的等式形式79 4.2.3软约束的优先级排名和每个优先级约束的确定80 4.2.4稳态目标计算的可行性阶段82 4.2.5稳态目标计算的经济优化阶段:不含软约束情况84 4.2.6稳态目标计算的经济优化阶段:含最低优先级软约束情况85 4.3动态控制模块86 4.4动态矩阵控制的等价形式95 4.4.1无约束动态矩阵控制95 4.4.2二次规划动态矩阵控制101 第5章含积分输出的双层结构动态矩阵控制104 5.1开环预测模块105 5.1.1被控系统数学模型105 5.1.2稳定型CV部分106 5.1.3积分型CV部分107 5.2稳态目标计算问题描述110 5.2.1稳定型CV部分的稳态预测模型110 5.2.2积分型CV部分的稳态模型与约束111 5.3多优先级稳态目标计算算法115 5.3.1将约束统一表达为关于MV稳态增量的形式115 5.3.2软约束的优先级排名以及每个优先级约束的确定118 5.3.3稳态目标计算的可行性阶段118 5.3.4稳态目标计算的经济优化阶段:不含软约束情况121 5.3.5稳态目标计算的经济优化阶段: 含最低优先级软约束情况122 5.4动态控制模块122 5.4.1动态控制的设定值124 5.4.2动态控制算法125 5.5仿真算例127 第6章基于状态空间模型的双层结构预测控制139 6.1干扰模型与可检测性139 6.1.1不可测扰动模型140 6.1.2增广模型的可检测性141 6.1.3积分型输出的扰动模型144 6.2开环预测模块146 6.3稳态目标计算模块148 6.3.1将约束统一表达为关于控制摄动稳态增量的形式149 6.3.2稳态目标计算的可行性阶段151 6.3.3稳态目标计算的经济优化阶段:不含软约束情况153 6.4动态控制模块154 6.5其他备选方案161 6.5.1消除稳态工作点161 6.5.2将被控输出作为状态163 6.5.3将操作变量作为状态166 6.6能控性、能观性、可镇定性、可检测性167 第7章输入输出模型参数辨识170 7.1工业过程的测试170 7.1.1测试信号170 7.1.2过程测试与数据采集176 7.1.3数据预处理177 7.2最小二乘参数辨识的基本原理178 7.3非参数化输入输出模型辨识181 7.3.1待辨识模型的描述181 7.3.2数据处理183 7.3.3模型辨识方法185 7.4仿真研究195 第8章状态空间模型的子空间辨识法199 8.1子空间辨识常用的投影与矩阵分解理论199 8.1.1投影理论199 8.1.2QR分解和SVD分解201 8.2子空间辨识基本原理203 8.2.1问题描述203 8.2.2子空间矩阵方程205 8.2.3子空间辨识的基本思想207 8.3几种典型的开环子空间辨识算法209 8.3.1线性回归分析法209 8.3.2N4SID方法211 8.3.3PO-MOESP法211 8.4开环辨识实验与仿真研究212 8.4.1Shell重油分馏塔模型212 8.4.2CD播放器机械臂模型213 8.4.3燃料电池模型215 8.4.4连续搅拌反应釜模型217 8.4.5三容水箱系统实验219 8.5闭环子空间辨识223 第9章双层结构预测控制的无静差特性228 9.1基于状态空间模型的目标跟踪问题228 9.2基于状态空间模型的动态控制和无静差特性231 9.3双层结构动态矩阵控制的无静差特性238 9.4无静差控制的基础即动态稳定性的研究现状239 第10章双层结构预测控制的非线性和自由度变换243 10.1非线性变换方法243 10.2变自由度的双层结构预测控制247 10.3氯乙烯分馏塔应用实例248 参考文献252