[发明专利]一种基于RBF-ARX模型的快速鲁棒预测控制方法

说明书

本发明公开了一种基于RBF‑ARX模型的快速鲁棒预测控制方法，首先采用数据驱动技术离线建立被控系统的非线性状态相依RBF‑ARX模型。其次，利用建立的非线性RBF‑ARX模型构造出能够包裹被控系统非线性动态特性的多面体。然后，利用min‑max优化原理、基于不变集设计方法，在未知系统的稳态平衡点信息的情况下，设计基于RBF‑ARX模型的可通过求解凸优化问题实现最优输出跟踪的鲁棒预测控制算法。最后，为了解决在线求解凸优化问题存在的繁重计算量问题，本发明将离线计算方法和在线综合技术相结合，设计了基于RBF‑ARX模型的快速鲁棒预测控制方法。

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，涉及一种基于RBF-ARX模型设计的快速鲁棒预测控制方法，尤其涉及一种用于快速系统的快速鲁棒预测控制方法。

背景技术

在实际的工业中，生产设备往往是非常复杂的、具有较强的非线性，它们的工作范围大、工作环境复杂多变、对象参数不精确。例如，磁悬浮球系具有非线性、快速响应、开环不稳定的特点，易受电源及工作环境的影响，某些参数具有较强的不确定性，无法精确测量。

在过去几十年中，基于线性模型的预测控制技术已发展的相当成熟，但实际的工业系统并不都适合被简化为线性系统来进行控制器的设计，例如，磁悬浮系统、搅拌釜系统等复杂被控系统，具有很强的非线性和快速性特性。对于这类强非线性快速系统，线性调节器会使控制性能较差。因此，对于大部分的非线性系统，必须采用非线性预测控制。在非线性预测控制中，一般采用非线性模型来预测被控系统未来的输出，在每个采样时刻，通过在线求解非线性规划问题来对被控系统的输入量、状态量以及输出量进行约束。然而，这类控制算法存在一些明显缺点：1)实际的被控系统通常是快速、时变、约束的复杂非线性过程，这些复杂系统的精准数学模型很难获得；2)这类算法在理论上尚未解决诸如控制系统收敛性、鲁棒性和闭环系统稳定性等问题。因此，针对复杂非线性快速被控系统，提出一种系统性的、可实现的非线性系统建模与鲁棒控制方法成为亟待解决的问题。

经对现有技术的文献检索发现，目前主要的针对非线性系统的建模及控制方法有：2015年4月16日公开的申请号为CN201510180614.7的专利“一种磁悬浮球位置控制方法”发明了一种基于函数权RBF-ARX模型的预测控制方法来实现对磁悬浮球位置的控制。但是，该方法在优化计算控制输入的过程中并未考虑系统的约束条件和模型的不确定性对系统控制性能的影响，也就是该方法所设计的控制器不具有鲁棒性，致使系统的抗干扰性较弱。对于实际工业生产过程中稳态平衡点信息是未知的或不可测的非线性系统，专利“一种一阶连续搅拌釜式反应器的鲁棒预测控制方法”(申请号：CN201610139588.8)公开了一种基于数据驱动技术的RBF-ARX模型的、考虑了控制输入一个自由度的、不依赖于CSTR系统的稳态信息的鲁棒预测控制器设计方法。但是，该方法是一种需要在线求解含LMIs(LinearMatrix Inequalities)约束的优化问题的方法，有繁重的在线计算负担，该方法很难在实际生产中进行应用，尤其是对于实际生产中的快速被控对象，较小的采样周期使得复杂的在线优化计算难以完成。因此，本发明将离线计算方法和在线综合技术相结合提出一种基于RBF-ARX模型的、不考虑控制输入自由度的快速鲁棒预测控制方法，并在实施案例中将其应用到快速非线性的磁悬浮球系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于RBF-ARX模型的快速鲁棒预测控制方法，利用RBF-ARX模型构造出能够包裹被控系统非线性动态特性的线性多面体，在未知系统稳态平衡点信息的情况下，将离线计算方法和在线综合技术相结合，设计基于RBF-ARX模型的能在线实现的快速鲁棒预测控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于RBF-ARX模型的快速鲁棒预测控制方法，该方法包括以下步骤：

首先，采用一种基于数据驱动技术的建模方法，离线建立非线性被控系统的RBF-ARX模型。本发明所述一种用来描述被控系统动态特性的RBF-ARX模型结构如下：