快速模型預(yù)測(cè)控制算法的研究及應(yīng)用.pdf

1、模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control，MPC）是一種基于在線計(jì)算的控制優(yōu)化算法，能夠統(tǒng)一處理帶約束的多參數(shù)優(yōu)化控制問題。當(dāng)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)和環(huán)境相對(duì)復(fù)雜時(shí)，模型預(yù)測(cè)控制需選擇較大的預(yù)測(cè)時(shí)域和控制時(shí)域，因此大大增加了在線求解的計(jì)算時(shí)間，同時(shí)降低了控制效果。從現(xiàn)有的算法來看，模型預(yù)測(cè)控制通常只適用于采樣時(shí)間較大、動(dòng)態(tài)過程變化較慢的系統(tǒng)中。因此，研究快速模型預(yù)測(cè)控制算法具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　為減少M(fèi)P

2、C在線計(jì)算的復(fù)雜度和在線計(jì)算時(shí)間，本文提出了基于凸優(yōu)化工具CVXGEN和在線優(yōu)化的兩種快速模型預(yù)測(cè)控制算法，并分析了算法的原理和性能。最后將上述兩種算法分別應(yīng)用于三自由度直升機(jī)中，與傳統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制以及顯式模型預(yù)測(cè)控制算法進(jìn)行對(duì)比，分析了兩種快速預(yù)測(cè)控制算法各自的特性。
　　本文的主要工作和成果如下:
　　(1)分別綜述了模型預(yù)測(cè)控制、快速模型預(yù)測(cè)控制和三自由度直升機(jī)控制方法的發(fā)展及研究現(xiàn)狀。介紹了模型預(yù)測(cè)控制的基本原理和

3、凸優(yōu)化的相關(guān)理論，為下文的研究提供背景和理論基礎(chǔ)。
　　(2)針對(duì)顯式模型預(yù)測(cè)控制無法處理規(guī)模較大的問題，提出了基于凸優(yōu)化的快速模型預(yù)測(cè)控制算法。首先研究了凸優(yōu)化工具CVXGEN的基本原理，將其與模型預(yù)測(cè)控制相結(jié)合生成一類問題的高速求解器，用于求解該類問題的模型預(yù)測(cè)控制問題。然后將該方法應(yīng)用于簡單的中小型數(shù)值實(shí)例，分析了算法的性能和快速求解問題的能力。
　　(3)針對(duì)基于凸優(yōu)化的快速模型預(yù)測(cè)控制算法不適用于所有規(guī)模的最優(yōu)控制

4、問題，提出了快速在線模型預(yù)測(cè)控制算法，其主要采用改進(jìn)的內(nèi)點(diǎn)法和熱啟動(dòng)來降低在線計(jì)算的復(fù)雜度，從而減少在線計(jì)算時(shí)間。最后將該方法應(yīng)用于大中小型數(shù)值問題中，通過仿真驗(yàn)證了其快速處理各類問題的能力。
　　(4)在參數(shù)選取一致的情況下，將基于凸優(yōu)化工具CVXGEN和在線優(yōu)化的兩種快速模型預(yù)測(cè)控制算法分別在三自由度直升機(jī)模型上進(jìn)行仿真，并與傳統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制和顯式模型預(yù)測(cè)控制算法進(jìn)行比較。對(duì)比分析了各算法在控制性能、在線計(jì)算時(shí)間和誤差等方面