非線性系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制研究進展
本文關(guān)鍵詞:非線性系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制研究進展,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
第26卷第5期 2009年5月
文章編號:1000—8152(2009)05—0521—10
控制理論與應(yīng)用
Control Theory&Applications
、,01.26
No.5
May.2009
非線性系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制研究進展
戴文戰(zhàn)1,婁海川1,楊愛萍2
(1.浙江理工大學(xué)自動化所,浙江杭州310018;2.浙江財經(jīng)學(xué)院,浙江杭州310035)
摘要:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于其在非線性系統(tǒng)建模與優(yōu)化求解方面的優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于預(yù)測控制中,形成了各種各樣的 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法.本文系統(tǒng)地評述了非線性系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制系統(tǒng)中的模型選取、控制器優(yōu)化、控制系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及收斂性理論等研究現(xiàn)狀,分析了非線性系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法存在的問題和今后的研究方向. 關(guān)鍵詞:非線性系統(tǒng)?9神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);預(yù)測控制:穩(wěn)定性:收斂性 中圖分類號:TPl83 文獻標識碼:A
An overview of neural network predictive control for nonlinear systems
DAI
Wen.zhanl,LOU Hai—chuanl,YANG Ai—pin92
(1.Department ofAutomatic Con仃ol,Zhejiang Sci-Teeh University,Hangzhou Zhejiang 310018,China; 2.Zhejiang University of Finance and Economics,Hangzhou Zhejiang 3 10035,China)
Abstract:Neural network theory is widely applied with nonlinearities
to
predictive control
system because of its superiority in dealing
therein.Meanwhile,various algorithms for neural network predictive control have been put forward.
For the neural network predictive
control,we separately review the guideline for adopting predictive model,the optimization
problems
as
method for controHeL
the architecture s仃ategy,and the existing
well
as
the research directions.
Key words:nonlinear
systems;neural network;predictive control;stability;convergence
l
引言(Introduction)
預(yù)測控制是20世紀70年代直接從工業(yè)過程控
制系統(tǒng)中的模型選取、控制器優(yōu)化、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 設(shè)計以及收斂性理論等研究現(xiàn)狀,分析了非線性系 統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法存在的問題和今后的研究
方向.
制中產(chǎn)生的一類控制算法,發(fā)展至今已有上百種 算法,典型的如動態(tài)矩陣控制(DMc)、模型算法控 SO(MAC)、廣義預(yù)測控帶tJ(GPC)、模型預(yù)測啟發(fā)控
SfJ(MPHC)等【1 ̄41.預(yù)測控制本質(zhì)上是一種基于模
型的有限時域的優(yōu)化算法,它對于不確定環(huán)境有極 強的適應(yīng)性,在工業(yè)過程控制中顯示出巨大的生命 力. 然而,對于工業(yè)過程中具有強非線性特性的被 控對象,基于線性系統(tǒng)建模和優(yōu)化的預(yù)測控制算法 難于應(yīng)用.而用來描述一般非線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 如塊聯(lián)模型、基于各種核函數(shù)描述的模型又存在結(jié) 構(gòu)特定、辨識困難、處理復(fù)雜等問題,實際中很少應(yīng) 用.由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠充分逼近復(fù)雜的非線性映射 關(guān)系,具有學(xué)習(xí)與適應(yīng)不確定系統(tǒng)的動態(tài)特性和較 強的魯棒性和容錯性的特點,使其成為對非線性系 統(tǒng)建立預(yù)測模型和優(yōu)化控制的關(guān)鍵技術(shù)之一,并形 成了各種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測控制算法【5“11】. 本文系統(tǒng)地評述了非線性系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控
收稿日期:2008—07--16;收修改稿R期:2009—03—05.
2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的選取及建模方 法(The selection of NN prediction model and
modeling method)
2.1用于預(yù)測模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選取(The selection
of NN type for prediction
model)
selection of NN
2.1.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的選。ǎ裕瑁
model)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于預(yù)測模型的基本要求主要有:較 好的收斂性、實時性和一定的泛化能力等.在訓(xùn)練 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之前,首先要確定所選用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型. 目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型很多,需根據(jù)問題的性質(zhì)和任務(wù) 要求來選擇合適的網(wǎng)絡(luò)類型.不恰當(dāng)?shù)纳窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)
可能導(dǎo)致訓(xùn)練次數(shù)增加甚至無法收斂.在預(yù)測建
模中,應(yīng)用較多的網(wǎng)絡(luò)有RBF網(wǎng)絡(luò),它在一定程度 上克服了BP網(wǎng)絡(luò)存在局部最優(yōu)、訓(xùn)練速度慢的問
基金項目:教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項基金資助項I弓(20070338002);浙江省科技計劃重點資助項Iil(2007C21G2060025);浙江省自然
科學(xué)基金資助項目(Y607556).
萬方數(shù)據(jù)
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第26卷
題,具有良好的逼近非線性模型的性能[12“41.除此 之外,其他神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)亦顯出各自獨特的建模優(yōu)勢. 文【15】提出的基于濾波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有良好的動 態(tài)建模能力,有效地減輕計算負擔(dān).文『16,17]基于 狀態(tài)空間遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模,確保了系統(tǒng)穩(wěn)定性,避 免全局遞歸結(jié)構(gòu)繁瑣.文【18】用兩步動態(tài)Levenberg— Marquardt(LM)方法建立非線性過程的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)
化后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型具有很強的自適應(yīng)性和學(xué) 習(xí)能力、非線性映射能力、魯棒性和容錯能力.
2.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的建模方法(The
ing methods of NN predictive contr01)
model.
2.2.1基于線性化模型(Based on
linear
model)
在處理非線性問題的眾多方法中,基于局部線 性化或局部線性近似的處理方法一直是十分常用 的處理方法.它能將非線性系統(tǒng)局部線性化后,直 接利用大量成熟的線性系統(tǒng)控制技術(shù)解決非線性 系統(tǒng)的控制問題.這種局部線性化方法的處理方式 有很多.文【361用反饋線性化理論通過非線性狀態(tài) 反饋將非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過程模型轉(zhuǎn)化為線性模型. 文【37,38]在非線性系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的不同工作點 做階躍響應(yīng),建立其局部線性模型,再用隸屬函數(shù)加 權(quán)得到全局線性模型,實現(xiàn)非線性擴展DMC預(yù)測控 制.文【39]將非線性對象在工作點附近進行Taylor級 數(shù)展開,取其線性項作為非線性對象的預(yù)測模型,
絡(luò)模型.該模型能以足夠的精度從過程的輸入信息
預(yù)測未來的響應(yīng).文【19]提出的Bayesian—Gaussian神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,當(dāng)需要大量的新樣本訓(xùn)練時,網(wǎng)絡(luò)的拓 撲結(jié)構(gòu)和連接權(quán)值具有自動快速調(diào)節(jié)能力以適應(yīng)在 線過程的動態(tài)偏移特性.文【20J提出基于廣義△規(guī)
貝U(GDR)算法,通過對過程控制的映射,建模不需要 直接的輸入輸出數(shù)據(jù),可以補償信息不足.文【21]結(jié)
合模糊控制技術(shù),提出遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),用于非
線性離散時間過程廣義預(yù)測控制建模,同時證明
了RFNN模型的收斂性.文【22,23]提出的自適應(yīng)模 糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),能對過程非線性關(guān)系進行建模,使系統(tǒng) 適應(yīng)不同的工作點,獲得靈活的學(xué)習(xí)能力.近年來, 還有學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與ARX模型相結(jié)合提出混合 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,文【24]提出基于多輸入多輸出RBF— ARX模型及狀態(tài)空間表示,可以描述一類工作點時 變的多變量非線性系統(tǒng)的動態(tài),這類模型具有滑模 結(jié)構(gòu)特性.文【251提出基于Wiener模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的混合模型,具有很強的辨識能力,可以快速的預(yù)測 過程的階躍響應(yīng).
對非線性對象進行單步預(yù)測控制.文【40】利用分
段局部線性近似方法將非線性統(tǒng)計回饋神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)SRNN(statistic
recurrent
neural
network)轉(zhuǎn)化為混
合統(tǒng)計模型,并利用信息幾何投影算法,將SRNN混 合統(tǒng)計預(yù)測模型轉(zhuǎn)化為線?t生ARMA系統(tǒng)預(yù)測模型. 針對離散非線性系統(tǒng),文【41]利用非線性激勵函數(shù) 的局部線性表示方法,用一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將非線性多 步預(yù)測轉(zhuǎn)化為一系列簡單直觀的線性多步預(yù)測形 式,這種方法降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,減輕運算負 擔(dān).
2.1.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué)習(xí)算法(The
gorithms of NN model)
learning a1.
2.2.2基于線性模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的模
型(nle combination
ral network) of linear model and
neu—
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法的收斂性,是保證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 能否成功用于預(yù)測模型的關(guān)鍵因素之一.文【26]采 用統(tǒng)計Bayesian決策方法訓(xùn)練前饋網(wǎng)絡(luò),保證未知 隨機系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性.文【27]針對BP算法無法
將線性模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性模型進行組合是 一種常用的建模方法.文【42]將線性狀態(tài)空間模型 和非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)校正模型組合得到多變 量復(fù)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)模型,不僅有效控制非線 性過程變量大幅度變化,而且適用于需嚴格循環(huán)時 間的快速非線性過程.文【43]提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義 預(yù)測控制算法,其預(yù)測模型的自由響應(yīng)部分由非線 性RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型產(chǎn)生,而強迫響應(yīng)則由線性模 型組成.文【44】將線性網(wǎng)絡(luò)加動態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組 成復(fù)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其線性網(wǎng)絡(luò)用于描述系統(tǒng)的局部 線性特性,動態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要對系統(tǒng)的非線性 部分進行建模.與普通的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比。該網(wǎng)絡(luò) 模型不必確切知道系統(tǒng)的階次,并且具有結(jié)構(gòu)簡單, 在線學(xué)習(xí)方便等優(yōu)點.文【45】以多輸入多輸出狀態(tài) 空間模型作為基本模型,用多通道前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表 示Wiener模型的非線性部分的靜態(tài)增益.同時在每
對網(wǎng)絡(luò)權(quán)值實時調(diào)整進行漸進計算的缺點,提出 了將時間差分法和BP算法相結(jié)合的新的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí) 算法,對Elman網(wǎng)絡(luò)模型進行i)J|練.文【28]用分層自 組織學(xué)習(xí)算法優(yōu)化動態(tài)遞歸RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模 型.文【29,30]提出一種廣義微分遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近
似動態(tài)非線性系統(tǒng),結(jié)合TaylorJ芋歹U擴展Levenberg.
Marquardt方法和自動微分技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)進行學(xué)習(xí) 優(yōu)化,在不同的采樣速率下有很好的模型匹配.
文【3 l】提出一種基于OBS(systematic
optimal brain
surgeon)學(xué)習(xí)算法,具有拓撲結(jié)構(gòu)緊湊、計算量減少
的優(yōu)點.文【321提出基于建構(gòu)學(xué)習(xí)算法的單隱層神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來逼近一類復(fù)雜多變量過程的動態(tài)行
為,該建構(gòu)學(xué)習(xí)算法采用映射追蹤技術(shù),具有可靠的 精度.此外,文[33,-,351用遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),優(yōu)
萬方數(shù)據(jù)
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戴文戰(zhàn)等:非線性系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制研究進展
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個采樣時刻對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)線性化,將非線性模型變成 線性,整個過程就以線性模型來控制.
取長補短.這種將機理模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識相結(jié)合 的模型,一般是通過機理分析以構(gòu)架模型結(jié)構(gòu),而 模型的參數(shù)可根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨 識得至lJl61,62].文f63]針對一種復(fù)雜過程,提出含機理 模型和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)補償?shù)幕旌夏P停?文[64]針對一類具有強非線性、大純滯后的過程,建 立了機理模型與小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合的混合模
2.2.3基于預(yù)測偏差補償模型(Based
tive
error
on
predic.
compensation model)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測建模采用多步預(yù)測方法來預(yù)測其 未來輸出值,以克服系統(tǒng)不確定性的影響,增強系統(tǒng) 的魯棒性.但建模過程中存在模型誤差,這勢必影 響預(yù)測的精度.而隨著預(yù)測長度的增加,其預(yù)測誤差 也加大.針對這些問題,有關(guān)文獻提出相應(yīng)的解決辦 法.文【46]用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)的建模誤差進行預(yù) 測,從而抑制模型失配的影響,增強廣義預(yù)測控制的 魯棒性.文【47]對過程采用多步遞推預(yù)測的同時,用 新息來補償在多步遞推過程中產(chǎn)生的累加誤差,較 好地解決了具有大滯后的非線性系統(tǒng)的預(yù)測控制問 題.在文【47]的基礎(chǔ)上,文【481用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為 補償模型,獲得了更好的補償精度.文【49】以偏差補 償和模型修正相結(jié)合的方式對預(yù)測模型進行誤差補 償,通過對性能指標中的偏差項負指數(shù)加權(quán),進一步 改善多變量非線性系統(tǒng)預(yù)測控制性能.文【501采用 阻尼最小二乘法進行在線訓(xùn)練,該算法不需預(yù)先訓(xùn) 練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),具有較好的自適應(yīng)跟蹤補償性能.針對 時滯系統(tǒng)的特點和采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單值預(yù)測控制存在 的不足,文[5l】提出了多步超前預(yù)測與補償?shù)目刂?算法,有效地增加了控制力度,改善了動態(tài)性能.
型.文【65]構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型較好地體現(xiàn)了對象 輸入與輸出間的機理關(guān)系,除了具有常規(guī)的純數(shù)值
映射關(guān)系學(xué)習(xí)功能之外,還保證了模型的外推效果. 文【66]提出的結(jié)構(gòu)逼近式混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)充分利用已
知非線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“灰盒”化, 較好地描述了系統(tǒng)各變量間的因果關(guān)系,提高了模
型的直觀性.
3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制器優(yōu)化方法(The
mization of NN predictive controller)
opti.
3.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法(The
ofNN)
optimization methods
在預(yù)測控制理論中,非線性系統(tǒng)的優(yōu)化控制問
題一般可以通過動態(tài)規(guī)劃(dynamic programming,
DP)方法求取【67,681.但是DP方法求解jtWBellman
和Hamilton—Jacobi的非線性模型,需要進行大量的 計算,占用大量的存儲空間,尤其對于高階系統(tǒng)而言
2.2.4基于多模塊化模型(Based
model)
on
multiple
更是如此.而采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解優(yōu)化控制器,可以解 決用DP方法難以解決的優(yōu)化問題.文【69]用結(jié)構(gòu)并 行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化有約束的二次型性能指標,其中用
梯度映射學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練,具有很好的收斂性,且利于
利用多模型來反映動態(tài)特性的變化,可以縮小 局部模型的建模范圍,提高建模的精度,具有很好 的內(nèi)插和外推特性【52?531.文[54—57]用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在 不同工作點建立一組局部動態(tài)模型,同時設(shè)計相應(yīng) 的局部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制器,通過加權(quán)合成的方式 獲得最終的控制信號,在負荷大范圍變化的工況下, 控制系統(tǒng)仍保持了良好的性能,具有較強的魯棒性. 文[58,59]針對多變量系統(tǒng),考慮到系統(tǒng)各變量響應(yīng) 時間不同、動態(tài)或靜態(tài)性能的非線性、時變、不確 定性以及變量之間的強耦合、大干擾,將一個多輸 入多輸出模型近似成多個多輸入單輸出進行處理. 文【60]貝|J基于不同的采樣速率建立多輸入單輸出的 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,減少了待優(yōu)化變量的維數(shù)和計算負 擔(dān).
硬件實現(xiàn).文【70]利用混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對基于Laguerre
函數(shù)模型且有約束情況下的自適應(yīng)預(yù)測控制性能 指標尋優(yōu),可以有效地避免優(yōu)化過程陷入局部極。
文【71,72]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用作預(yù)測器的同時,采用另一 個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為優(yōu)化控制器,具有克服干擾和不確 定性影響的優(yōu)勢.文【731為了避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對復(fù)雜 的非線性求解,將預(yù)測控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆動態(tài)控制
相結(jié)合,用多步預(yù)測性能指標函數(shù)直接訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)
絡(luò)逆動態(tài)控制器的權(quán)值,算法相對簡單,且具有更好
的響應(yīng)速度和性能.
3.2數(shù)值優(yōu)化方法(Based
tion)
on
numerical optimiza-
由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身具有非線性,將其用以求解
優(yōu)化控制器,不僅難以獲得精確解析解,而且要在
2.2.5基于機理模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合的 混合模型(Based
on
the combination of anal.
足夠短的時間內(nèi)讓算法收斂于一個次優(yōu)解也是比較 困難的.為了解決其不足,許多文獻采用數(shù)值優(yōu)化 方法提高控制器的優(yōu)化速度和性能.文【74,75】采用 迭代學(xué)習(xí)求取控制信號的同時,用擬牛頓法求搜索
ysis model and neural network)
工業(yè)應(yīng)用中常用的建模方法主要有機理建模和 辨識建模.把機理建模與系統(tǒng)辨識建模結(jié)合起來,可
萬方數(shù)據(jù)
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控制理論與應(yīng)用
第26卷
方向,保證了算法的快速性和穩(wěn)定性.文[76]采用簡
制器的隸屬度函數(shù).此外還有將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控 制結(jié)合的優(yōu)化控制器,文【91]根據(jù)預(yù)測模型求得預(yù) 測偏差和控制量模糊規(guī)則,并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)模 糊邏輯控制器的結(jié)構(gòu),設(shè)計出模糊神經(jīng)優(yōu)化控制器. 文f92]為了避免算法在訓(xùn)練過程中很可能陷入局部 極小點,采用遺傳算法對上述模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化控 制器進行訓(xùn)練,以達到最佳的控制效果.
化的Hessian方法對控制器進行優(yōu)化,避免求解迭代
的二次規(guī)劃問題.文【77,781將黃金分割法用于優(yōu)化 控制器,其中以系統(tǒng)輸入的約束條件作為黃金分割 法的動態(tài)搜索區(qū)間.文【79]提出帶廣義擴展控制時 域的目標函數(shù),并用Quasi—Newton方法優(yōu)化GPC控 制器.文【80]采用-]"Levenberg.Marquardt和Quasi. Newton算法優(yōu)化控制器,避免了控制器參數(shù)的
4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沒計(The al'-
chitecture design for NN predictive control
頻繁調(diào)節(jié),有效提高了抗擾能力.文[8l】結(jié)合自
調(diào)節(jié)線性PID控制策略,分別用Gradient—Descent(G. D),Newton—Raphson(N—R)和Levenberg—Marquardt(L? M)方法優(yōu)化自適應(yīng)非線性預(yù)測控制器,獲得不同 性能.其中,LM,GD具有較好的控制效果,NR對隨
system) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制(NNMPC)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)與 傳統(tǒng)的模型預(yù)測控制結(jié)構(gòu)一樣,包括:參考軌跡、預(yù) 測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正.但是在算法研究以 及實際的應(yīng)用中,為了滿足被控對象或過程的各種 不同要求,出現(xiàn)了不同形式的控制結(jié)構(gòu).
機噪聲干擾比較敏感,并且可避免局部最。牵模
NR適合簡單的系統(tǒng),而LM適合復(fù)雜的系統(tǒng).
3.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID組合優(yōu)化方法(The combina-
don optimization of NN and Pro)
4.1并行控制結(jié)構(gòu)(Parallel contr01)
一種方法是融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制器和PID控 制器.考慮到兩個控制器的控制目的和效果不同, 將前者作為主控制器,,后者作為輔助控制器,兩 者以并行控制的方式工作.文【931將PID控制器 和NNMPC的并行控制結(jié)構(gòu)應(yīng)用于小車移動機器人 的控制,初始階段采用PID控制,使機器人沿其運動 軌跡運行。產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模需要的訓(xùn)練數(shù)據(jù),之后 切換到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制器對機器人路徑進行精確 控制.文【941提出基于時變補償算子的RBF.ARX全 局模型預(yù)測控制器,采用結(jié)構(gòu)非線性參數(shù)優(yōu)化方法 對模型參數(shù)離線快速辨識,其中用增量式PID控制器 并行控制來獲取過程的實時數(shù)據(jù)作為RBF—ARX的 離線辨識數(shù)據(jù). 另一種是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控 制器結(jié)合的并行控制結(jié)構(gòu).為控制強非線性的PH過 程,文【951提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制和自適應(yīng)神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的并行魯棒預(yù)測控制算法,其中設(shè)計了 一個協(xié)調(diào)器以協(xié)調(diào)兩個控制器的輸出,產(chǎn)生模型使 用的適應(yīng)度來決定最后的控制動作,同時引入?yún)^(qū)域 知識分析方法調(diào)整控制器的權(quán)值.為提高系統(tǒng)的響 應(yīng)實時性,文【96】先用基于BP網(wǎng)絡(luò)建模的NNMPC產(chǎn) 生期望的控制輸出,用一個并行的NN控制器實時學(xué) 習(xí)控制輸出數(shù)據(jù),產(chǎn)生新的控制量,代替NNMPC的 優(yōu)化模塊控制整個過程. .針對一類具有NARMA形式的不確定非線性離 散時間動態(tài)系統(tǒng),文【97]提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與多模 型方法的非線性廣義預(yù)測自適應(yīng)并行控制結(jié)構(gòu).該 結(jié)構(gòu)由線性魯棒廣義預(yù)測自適應(yīng)控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 非線性廣義預(yù)測自適應(yīng)控制器和切換機制3部分構(gòu) 成,線性魯棒廣義預(yù)測自適應(yīng)控制器保證閉環(huán)系統(tǒng)
在先進控制策略逐漸推廣的今天,PID控制器仍 發(fā)揮著重要的作用.將PID控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控
制結(jié)合將獲得魯棒性更強的控制器.文【821用神經(jīng)
網(wǎng)絡(luò)在線修正PID參數(shù),獲得了有效的自整定PID型 廣義預(yù)測控制器.文【83]提出了一種具有預(yù)測功
能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器,采用一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對被
控系統(tǒng)進行辨識和預(yù)測,同時以E I,D參數(shù)作為網(wǎng)
絡(luò)權(quán)值構(gòu)成線性網(wǎng)絡(luò)作為控制器來求解性能指標.
文【84]采用PID長程預(yù)測能量函數(shù)作為優(yōu)化函數(shù),并 用局部遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(LCNN)在線調(diào)整控制器的參 數(shù),實現(xiàn)非線性PID}0經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多步預(yù)測控制算法,有 很好的自適應(yīng)能力和魯棒性.
3.4智能優(yōu)化方法(Intelligent
ods)
optimization meth.
綜合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他智能控制方法的優(yōu)勢,可
以設(shè)計出控制效果更好的智能優(yōu)化算法.文【85]采
用特殊遺傳算子設(shè)計的遺傳算法優(yōu)化有約束控制 器,增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.文[86]用遺傳算法優(yōu)化自
適應(yīng)預(yù)測控制器,避免矩陣求逆.成功地解決其抗 干擾、魯棒性與實時性的矛盾.文【87]將Tent-map混
沌算法用于滾動優(yōu)化提高系統(tǒng)的收斂性和精度. 文【88]將改進的粒子群優(yōu)化算法(MPSO)作為非線 性優(yōu)化控制器,并應(yīng)用于一類強非線、大時變、大時 滯、大慣性的對象時獲得了良好的控制性能.在差 分進化算法的基礎(chǔ)上,文【8919I進了免疫方法,可以
動態(tài)修改搜索區(qū)間,增加了收斂速度以及求取全局
精確解的概率.文【901為克服系統(tǒng)的大滯后以滿足
精餾塔過程每個時期的不同生產(chǎn)要求,采用一系列
模糊優(yōu)化控制器,同時用遺傳算法自動調(diào)整模糊控
萬方數(shù)據(jù)
第5期
戴文戰(zhàn)等:非線性系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制研究進展
525
的輸入輸出信號有界,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性廣義預(yù)測自 適應(yīng)控制器能夠改善系統(tǒng)的性能,切換策略通過對 上述兩種控制器的切換,在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時,改 善系統(tǒng)性能.
中加入了一個二次型補償函數(shù),文中給出了閉環(huán)
穩(wěn)定性的證明.針對一類未知穩(wěn)態(tài)的非線性系統(tǒng), 文【1031提出RBF—ARX模型進行建模,并用帶有輸入 約束的min—max的魯棒預(yù)測控制算法對未知穩(wěn)態(tài)非
4.2監(jiān)督控制結(jié)構(gòu)(Supervision contr01)
這種監(jiān)督控制結(jié)構(gòu)是以預(yù)測控制為監(jiān)督層,其 他控制器為控制層的雙層控制結(jié)構(gòu).監(jiān)督層以下 層閉環(huán)回路為控制對象,其控制輸出用于修正下層
線性環(huán)節(jié)進行輸出追蹤控制.針對一類混沌非線性
系統(tǒng),文【104]為將模型未知時的混沌運動控制到不 穩(wěn)定的不動點(UFP)處,提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控 制算法,它不需要知道UFP的位置,方法簡便,收斂
閉環(huán)回路的設(shè)定值.文【981將PI控制器作為控制層,
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制器作為監(jiān)督層,應(yīng)用至lJtennessee eastman(TE)控制過程.在此過程中,采用兩個神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)辨識器,其中一個辨識器辨識過程基底參數(shù),用 于PI控制,另一個辨識器對多重二次測量參數(shù)值進 行建模,用于監(jiān)督層預(yù)測控制,并且用powell方法對 有約束的控制器進行優(yōu)化,之后輸出多個控制變量 作為PI控制器設(shè)定值,從而實現(xiàn)過程基底的動態(tài)控 制.文【991提出結(jié)合線性模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性模 型的監(jiān)督預(yù)測控制結(jié)構(gòu),線性模型主要用于捕捉過 程的線性特性,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于建立對象非線性部分 的模型.相應(yīng)的控制器分別為線性預(yù)測控制器,以及 迭代逆控制器(iterative
inversion
速度快.
6算法應(yīng)用(Application)
正如預(yù)測控制理論來源于工業(yè)實踐,基于神經(jīng)網(wǎng)
絡(luò)的預(yù)測控制隨著其研究的不斷深入,在工業(yè)過程 的應(yīng)用越來越廣泛,應(yīng)用范圍涉及石油化工,冶金機
械,加工生產(chǎn)線,機器人等領(lǐng)域. 比如在化工過程領(lǐng)域,文【1051將并行結(jié)構(gòu)的遞
歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于套管式化學(xué)反應(yīng)釜,很好地模擬 各個反應(yīng)器不同的加熱冷卻回路中的動力學(xué)行為. 文【106]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制和預(yù)測控制應(yīng)用在試驗
性化學(xué)反應(yīng)堆上,比原先的自校正PID控制器有更 好的控制品質(zhì).文【1071提出一種能夠?qū)ξ粗蔷
controller,IIC),其中
性系統(tǒng)進行控制的直接自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制 器,成功地將其應(yīng)用在化工熱交換過程的流速與溫
度控制中.文【108]將NN預(yù)測控制算法應(yīng)用到生產(chǎn)
線性控制器作為監(jiān)督層,決定IIC的參考輸入,IIC作 為控制層決定過程的控制變量.由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只用 來局部非線性建?刂疲瑴p少了計算負擔(dān),提高了系 統(tǒng)的實時性.
核黃素的工業(yè)饋料批次過程,大大提升了核黃素的 產(chǎn)量.文【109]將多輸入多輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制 算法引入過程約束,應(yīng)用到液化催化裂化單元的實
驗平臺,具有很好的調(diào)節(jié)和追蹤性能.文【1 10I貝U利
4.3反饋控制結(jié)構(gòu)(Feedback contr01)
有一種反饋控制結(jié)構(gòu)是為了克服一類工業(yè)過程 中的大時延提出的,如文【1001.它由輸出模型、輸出 預(yù)測器和反饋控制器3部分組成.與一般預(yù)測控制結(jié) 構(gòu)有所區(qū)別的是,這3部分都有反饋環(huán)節(jié),且建模只 需要可測量的輸出信號數(shù)據(jù).其中用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立 輸出預(yù)測模型,反饋控制器用來抑制過程的不穩(wěn)定。 以克服動態(tài)行為不確定和系統(tǒng)的時延.
用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法實現(xiàn)了一階雙曲型分 布參數(shù)系統(tǒng),長管道溫度的實時控制.用于機器人控
制的,如文【111】針對力覺臨場感系統(tǒng)傳輸通道中存
在時變通訊時延造成系統(tǒng)不穩(wěn)定和操作性能降低的 問題,利用前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立主、從機械手和環(huán)境 的預(yù)測模型,進而控制主機械手速度和從機械手受 力,以消除或減少通訊時延對系統(tǒng)的影響. 在自動生產(chǎn)線上的應(yīng)用研究也取得了突破, 文【1121設(shè)計了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的有約束 多步預(yù)測控制,將其應(yīng)用于燒結(jié)生產(chǎn)線的線速度控
制.文【1 131提出的一種新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正預(yù)測控
5算法穩(wěn)定性和收斂性(Stability
gence)
and
conver-
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制本質(zhì)上是一種非線性控 制,只有在確保了其穩(wěn)定性和收斂性以后,才能 真正適用于實際生產(chǎn)過程中.目前,許多學(xué)者在 這方面開展了工作.對于一步超前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測 控制系統(tǒng),文[101]采用一個ERNN同時作為建模 和控制,用Lyapuno閉環(huán)穩(wěn)定性分析證明,當(dāng)神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)先設(shè)置,閉環(huán)的穩(wěn)定性主要取決于參
制器,成功地應(yīng)用于滌綸片基拉膜生產(chǎn)線的橫向分
布多變量非線性系統(tǒng)控制.文【1 141用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
對半導(dǎo)體生產(chǎn)線建立預(yù)測模型,利用所提出的控制
算法確定將要采取的投料策略和調(diào)度策略組合,并
數(shù)p=A/(1+QA),其中A為優(yōu)化步數(shù),口為控制加
權(quán)因子.文【102]在RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中定義了一個 附加不確定參數(shù),模型的失配不會破壞系統(tǒng)的穩(wěn) 定性.同時為了進一步提高控制性能,在優(yōu)化函數(shù)
對Intel公司開發(fā)的用于研究調(diào)度的生產(chǎn)線實驗平臺
進行了有效的控制.
MPC軟件在工業(yè)界的應(yīng)用已體現(xiàn)出重大的經(jīng)濟 效益.由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識非線性系統(tǒng)的優(yōu)勢,出現(xiàn)
萬方數(shù)據(jù)
526
控制理論與應(yīng)用
第26卷
了不少基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法的軟件產(chǎn)品.目
前,國外成型的通用商品化軟件有AspenTech公司 的Aspen IQ、Honeywell的Profit SoftSensor禾lFisher-
Rosemount的Intelligent SoftSensor等等,這些軟件適
1)建立將先驗知識嵌入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù) 測模型.加強非線性預(yù)測控制中各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理 論研究,包括結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取規(guī)律,有效的實時學(xué)習(xí) 算法等是很有必要的.現(xiàn)有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的 建立未考慮先驗知識,對于實際系統(tǒng)而言,是一種資 源的巨大浪費.如何建立將先驗知識嵌入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部, 提出新的功能更強的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型將成為研究 的熱點. 2)有約束的多變量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法研究. 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程本身存在的復(fù)雜性和控制目標的 多樣性,使優(yōu)化控制策略從目前的求解無約束二次 性能指標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)為面向有約束多目標多自由度 的優(yōu)化問題.加強對有約束多變量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控 制算法的研究,能更好地拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域. 3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他智能控制方法的結(jié)合研究. 智能控制不但在處理復(fù)雜系統(tǒng)時能進行有效的控 制,同時具有學(xué)習(xí)能力、組織綜合能力、自適應(yīng)能 力和優(yōu)化能力.為了解決復(fù)雜工業(yè)過程中的不確 定性、多目標優(yōu)化問題,智能控制中的其他一些方 法(模糊控制,遺傳算法或?qū)<蚁到y(tǒng))可積極引入到神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制中. 4)非線性系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制的收斂性理論 分析研究.任何一種控制方案,只有在確保了其穩(wěn)定 性以后,才能真正適用于實際生產(chǎn)過程中.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 預(yù)測控制本質(zhì)上是一種非線性控制,對其進行理論 分析是具有挑戰(zhàn)性的課題,有必要深入研究. 5)加強對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制的應(yīng)用研究.目前 大部分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法只停留在理論研究, 可以嘗試將一些理論研究成果應(yīng)用于實際工業(yè)過 程,以解決一些復(fù)雜的實際工業(yè)控制難題. 參考文獻(References):
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puter ER
用于建模對象機理復(fù)雜、多種因素強耦合,且具有很 強的非線性關(guān)系.另PbPavilion Tech.公司的Process Perfecter軟件包,則采用非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為非線性
預(yù)測模型.其他文獻中介紹的,如文【1 15】中開發(fā)的控 制算法的軟件包,應(yīng)用到糖廠溶化單元的實時專家
系統(tǒng).文【l 16]開發(fā)出控制電廠熱廢水溫度的神經(jīng)網(wǎng)
絡(luò)預(yù)測控制軟件包,用于Honeywell DCS的客戶端, 運行結(jié)果驗證了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制軟件的有效性.
7存在的問題及展望(Problems
7.1存在的問題(Problems)
and
future)
非線性系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法的研究已經(jīng)
取得較大的進展,但作為一種新穎的先進控制算法, 還存在以下一些問題有待于進一步解決. 1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)選取準則和學(xué)習(xí)算法的局
限性.一方面,雖然目前已有適用預(yù)測控制系統(tǒng)的神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不少,性能各有所長.但面對復(fù)雜的控制對 象,到底采用哪種結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并沒有具體的準 則,這在一定程度上限制了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用.另一方 面,迄今為止的學(xué)習(xí)算法,大多存在著計算量大,收
斂速度慢,易陷入局部極小等缺點.對于一些實時性 要求較高的生產(chǎn)過程而言,這些缺點是致命的.雖然
有不少學(xué)者提出新的算法提高收斂速度,但是這些
算法仍然難以同時兼顧快速性和全局尋優(yōu)兩方面的
要求. 2)滾動優(yōu)化算法的收斂速度慢.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化
控制是多步預(yù)測,通常計算量大,求解復(fù)雜,且一般 得不到最優(yōu)解.隨著預(yù)測步數(shù)的增多,要考慮的因素
更復(fù)雜,難度將成倍遞增.為提高的收斂速度,許多
C R,RAMALER B
L.Dynamic
matrix
conⅡDl—忸corn-
文獻對此做了大量的工作,并取得豐富成果,但所提
出的算法不同程度地存在設(shè)計復(fù)雜、計算量過大問
of the 1980 Joint Auto- matic Control Conference.San Francisco:American Automatic Control Council,1980。WP5一B. 【2】ROUHA
N
control algorithmiC】//Proceedings
題. 3)算法穩(wěn)定性和收斂性理論分析.現(xiàn)有文獻中, 對其理論分析探討較少。而且已有的對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù) 測控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂性判別方法,大多必須 在嚴格的假設(shè)條件下進行,只適用某一種特定類型
的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型.對于一般結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò),目
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前尚無通用的穩(wěn)定性判別準則. 7.2發(fā)展方向展望(Future)
雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法因為其自身存在的
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作者簡介:
藏文戰(zhàn)(1958_-),男,教授,博士生導(dǎo)師,浙江理工大學(xué)副校長, 浙江理工大學(xué)自動化研究所所長,研究方向為智能控制、系統(tǒng)建模與 控制等,E-mail:dwzhaa@zstu.edu.cn;
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本文關(guān)鍵詞:非線性系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制研究進展,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
本文編號:230156
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