多变量约束非线性预测控制构造性设计与鲁棒性分析

现代过程控制是一种追求高品质和高效益等综合指标的复杂控制系统，本质上是多目标、多变量和有约束的非线性动态优化控制问题. 面向现代过程控制的本质，本项目采用逆优化控制理论和非线性优化技术，研究多变量约束非线性预测控制的算法设计，特别是给出基于构造性设计方法的多变量约束非线性预测控制算法. 进一步，基于非线性控制理论及其稳定性分析工具，集成开展多变量约束非线性预测控制算法的鲁棒性研究，包括优化可行性、鲁棒稳定性与稳定域分析等. 该项目在理论上涉及非线性控制理论、优化理论和计算机控制技术等多个方面，对深入阐明非线性预测控制的运行机制有着重要的意义，并为非线性预测控制技术的实用化奠定基础.

针对工业过程广泛存在的多变量约束优化控制问题，本项目开展了多变量约束非线性系统的模型预测控制算法设计和鲁棒性分析，并结合聚丙烯牌号切换过程开展了相应理论成果的应用研究，取得了如下成果：1）考虑多变量约束非线性系统，引入控制Lyapunov函数和逆最优控制等非线性控制理论与方法，提出了三种非线性预测控制策略的构造性算法，并建立了各自闭环系统的稳定性结果；2）结合鲁棒控制Lyapunov函数概念和输入-状态稳定性理论等非线性控制理论以及线性矩阵不等式技术，提出了两种不确定非线性系统的鲁棒模型预测控制策略。相比于现有鲁棒非线性预测控制策略，本项目结果在保证闭环系统鲁棒性的同时，同步考虑了预测控制器的在线计算量；3）结合实时迭代策略、线搜索算法和黄金分割法等数值优化技术，提出了两种多变量约束系统模型预测控制策略的高效求解方法，有效地提高了预测控制器的在线计算效率，扩大了预测控制器的应用范围；4）考虑时滞被控系统（包括网络化控制系统），开展了多变量预测控制策略的稳定性分析和设计研究，并通过倒立摆实验装置的控制研究验证了结果的有效性，同时研究了丢包网络系统的滚动时域估计算法及其收敛性问题；5）以大型工业聚丙烯装置牌号切换过程控制为例，提出了聚丙烯牌号切换过程的非线性预测控制构造性算法，并仿真验证表明本项目结果可有效减少牌号切换的时间，减少废料的排放，提高企业的生产效益。这些成果为多变量约束非线性系统的模型预测控制理论的应用打下了良好的基础。