近二十年來(lái),預(yù)測(cè)控制理論與技術(shù)逐漸發(fā)展成熟,由于計(jì)算資源需求較大,預(yù)測(cè)控制算法在石油化工、電力系統(tǒng)等控制周期較長(zhǎng)的對(duì)象上取得了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái),隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展,航天、汽車等快速被控對(duì)象對(duì)控制性能的要求不斷提高,基于嵌入式系統(tǒng)的快速預(yù)測(cè)控制(fast MPC)逐漸成為研究熱點(diǎn)。FPGA、ARM等作為廣泛采用的嵌入式平臺(tái),本身具有大量可編程邏輯資源,這種特性可以實(shí)現(xiàn)諸如矩陣計(jì)算一樣的復(fù)雜計(jì)算。本文圍繞著快速模型預(yù)測(cè)控制算法以及嵌入式應(yīng)用,利用Buck DC-DC電路等高采樣電力電子器件作為對(duì)象進(jìn)行研究,取得以下成果:·針對(duì)含有復(fù)數(shù)極點(diǎn)的二階對(duì)象Buck DC-DC電路,推導(dǎo)相應(yīng)的預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法。預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法通過(guò)一步預(yù)測(cè)的辦法,快速達(dá)到設(shè)定值以實(shí)現(xiàn)對(duì)DC-DC變換器進(jìn)行控制,避免了一般MPC需要滾動(dòng)優(yōu)化而帶來(lái)的計(jì)算資源的不足。最后通過(guò)GPIC實(shí)現(xiàn)對(duì)DC-DC電路的實(shí)際控制,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,DC-DC變換器輸出電壓在GPIC的控制下能很好地跟蹤到設(shè)定值,具有良好的階躍響應(yīng)和抗負(fù)載突變能力。·針對(duì)Buck DC-DC變換器提出了一種快速的模型預(yù)測(cè)控制(MPC)算法,該算法針對(duì)二階開環(huán)不穩(wěn)定過(guò)程采用了閉環(huán)雙模結(jié)構(gòu)既保證了穩(wěn)定性又利用終端最優(yōu)的特點(diǎn)降低了轉(zhuǎn)換成二次規(guī)劃問(wèn)題(QP)的計(jì)算量。同時(shí)通過(guò)仿真的辦法得到大量最優(yōu)序列的測(cè)試數(shù)據(jù)并將其進(jìn)行奇異值(SVD)分解降低二次規(guī)劃問(wèn)題求解的復(fù)雜度,最后采用對(duì)偶加速梯度投影法(GPAD)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制序列的求解。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明電路負(fù)載變化范圍較大的情況下依然能較快地達(dá)到設(shè)定點(diǎn)并保持良好的動(dòng)態(tài)過(guò)程�！め槍�(duì)時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)提出了一種快速模型預(yù)測(cè)控制算法。該算法在處理大規(guī)模問(wèn)題上優(yōu)于傳統(tǒng)快速模型預(yù)測(cè)控制算法。首先該方法將在線MPC問(wèn)題轉(zhuǎn)化為QP問(wèn)題時(shí)保留了等式約束,這使得在每次采樣需要更新模型時(shí)計(jì)算更加簡(jiǎn)便。此外,這種構(gòu)建方式可以使得待優(yōu)化的QP問(wèn)題有很強(qiáng)的稀疏性。盡管這種保留等式約束的建模方式使得問(wèn)題的計(jì)算規(guī)模變大,但是可以將KK T條件轉(zhuǎn)化為分段線性函數(shù)并通過(guò)牛頓法與線搜索方法相結(jié)合以提高優(yōu)化速度。該算法通過(guò)仿真對(duì)比了算法的優(yōu)勢(shì),通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其作為控制器的可行性。·基于前面所研究的快速模型預(yù)測(cè)控制算法開發(fā)了基于嵌入式系統(tǒng)的電路控制器,實(shí)現(xiàn)了利用ARM單片機(jī)、FPGA對(duì)直流隨動(dòng)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制,充分的驗(yàn)證了快速M(fèi)PC在嵌入式系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)可行性。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP273;TP368.1
【部分圖文】：

１．２．３快速模型預(yù)測(cè)控制算法在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀??上文中提到了三大快速模型預(yù)測(cè)控制算法體系，這些體系在嵌入式系統(tǒng)中都有了較為??廣泛的應(yīng)用。下圖為這些算法體系在ＦＰＧＡ中的應(yīng)用現(xiàn)狀，通過(guò)圖１．１中可以看出，這些??算法以及其衍生算法在硬件平臺(tái)中的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟。但是不同的算法體系在計(jì)算過(guò)??程中有不同的側(cè)重點(diǎn)，它們對(duì)計(jì)算資源的分配也各不相同。以下簡(jiǎn)單列舉不同算法在嵌入??式應(yīng)用中的計(jì)算負(fù)擔(dān)差異。??Ｉｎｔｅｒｉｏｒ－Ｐｏｉｎｔ?Ａｃｔｉｖｅ－Ｓｅｔ?Ｆｉｒｓｔ－Ｏｒｄｅｒ??Ｍｅｔｈｏｄｓ?Ｍｅｔｈｏｄｓ?Ｍｅｔｈｏｄｓ??Ｐｒｅｄｉｃｔｏｒ－Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ?？?．?．?？？?ＡＭＡ??Ｂａｓｔｏｒｒｏｔｘｃａ?ａｎｄ?Ｂｅｎｋｒｉｄ?（２０１１）?（??．．?？?ｌ？ａ?６?）?Ｄ?．?ｆ?（?＾?Ｓｈｕｋｌａ?ｅｔ?ａｌ．??Ｕｕ?ｅ

指標(biāo)求解一個(gè)最優(yōu)控制序列，并將該控制序列的第一個(gè)控制量作用于被控對(duì)象。在下一個(gè)??采樣時(shí)刻，利用新的狀態(tài)做模型反饋校正，形成閉環(huán)控制。這就是模型預(yù)測(cè)控制的主要特??點(diǎn)，該算法在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用方案主要參考圖１．２所示閉環(huán)流程。其中嵌入式優(yōu)??化環(huán)節(jié)中，主要執(zhí)行了模型預(yù)測(cè)控制轉(zhuǎn)為二次規(guī)劃問(wèn)題（ＱＰ）的在線優(yōu)化過(guò)程，以及實(shí)物??系統(tǒng)的狀態(tài)測(cè)量以便做模型修正。而得到的最優(yōu)預(yù)測(cè)輸出則作為控制量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。??本文著重研究了嵌入式系統(tǒng)這一模塊，提出快速模型預(yù)測(cè)控制算法以便加速優(yōu)化過(guò)程。此??外ＦＰＧＡ是一個(gè)可以高速運(yùn)算的數(shù)字化系統(tǒng)，利用板載控制器和相關(guān)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可??以實(shí)現(xiàn)與實(shí)物系統(tǒng)的連接，同時(shí)利用其高頻采樣率的特性可以將模型預(yù)測(cè)控制算法應(yīng)用??１５??

求解方法是通過(guò)在預(yù)測(cè)時(shí)域上選擇一些點(diǎn)（稱為擬合點(diǎn)），使得模型的預(yù)測(cè)輸出在這些擬??合點(diǎn)上最接近于一條趨向擬跟蹤設(shè)定值的參考軌跡的相應(yīng)值而求得。??如圖２．１為預(yù)測(cè)函數(shù)控制的基本結(jié)構(gòu)。通過(guò)該結(jié)構(gòu)中的元素可以知道作為第三代的預(yù)??測(cè)控制算法，其仍屬于預(yù)測(cè)控制的范疇，因此該算法的基本原理仍然要從預(yù)測(cè)控制的三個(gè)??基本特征來(lái)推導(dǎo)：模型預(yù)測(cè)，滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。??擾動(dòng)??、?ｙｒ（＾＋ｉ）?１??ｙｐ?（Ａ）????ｊ??ｙｐ｛ｋ?＋?ｉ）?Ｅｒ（ｋ?＋?｛）??圖２．１預(yù)測(cè)函數(shù)控制的基本結(jié)構(gòu)??２．２．１模型預(yù)測(cè)??模型預(yù)測(cè)輸出ｙｍ（ｆｃ）由兩部分組成，一部分為自由響應(yīng)ｙ／（Ａ：），相當(dāng)于零輸入響應(yīng)，它??僅僅依賴于過(guò)去時(shí)刻的控制量輸出量，與當(dāng)前時(shí)刻及將來(lái)的控制量無(wú)關(guān)。另一部分為受迫??２２??
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