大型非线性系统滚动时域实时优化算法研究

非线性系统预测控制算法在线计算量大一直是难解决的问题。该类问题通常会导致在线求解高维非线性两点边值(TPBV)问题及非凸优化问题或高维非线性偏微分方程的数值问题，解的实时性缺乏保证。课题从典型化工过程非线性模型预测控制(NMPC)问题出发，结合基于向量迭代的逐次逼近和非线性理论研究大规模工业过程模型滚动时域最优控制的数值算法，将线性动态优化单独纳入背景计算，在线迭代只解决非线性补偿项以加快运算速度，同时研究在线迭代的非线性补偿项的动态特性，研究降低在线计算量的方法；其次，结合逆最优理论及非线性规划理论研究所提算法的稳定性问题，确定使该算法稳定的条件和方法；最后，推广该算法应用范围，研究更广泛的受扰时滞非线性系统的预测控制在线计算问题，将上述理论成果在典型化工生产过程控制系统中进行仿真和部分实验验证。在扩展NMPC的应用范围，探索NMPC在线计算新方法上，做出有创新意义的系列成果。

本项目研究复杂过程模型滚动时域反馈最优控制在线计算方法及其在工程控制中的应用。首先研究大型非线性时滞系统的滚动优化控制问题的近似方法；利用无时滞转换方法将具有状态及及控制时滞的非线性系统转换为等价高阶无时滞非线性系统；结合基于向量迭代的逐次逼近理论得到系统的明确反馈控制率，将系统最优控制的求解问题转化为线性代数方程组的求解问题；并将线性动态优化单独离线计算，在线迭代只解决非线性补偿项以加快运算速度。其次，研究在线非线性补偿项的动态特性及算法稳定性问题，结合降阶技术研究降低非线性补偿项的在线运算量的方法；研究了所提算法的收敛性及稳定域问题，研究了滚动时域和步长对系统收敛性能的影响；最后，基于前述在线计算方法，研究了复杂系统建模的与仿真技术，并采用所建立系统模型进行模拟、系统仿真；研究了扰动状态下海洋工程控制问题和具有丢包现象的网络控制问题。研究了与滑模控制技术结合的非确定多输入多输出的非线性系统最优跟踪问题，并应用于永磁同步电动机状态观测跟踪控制；研究了非线性系统最优控制与智能算法结合的进化算法，应用于流水车间调度控制；检验了所得控制方法的有效性和实用性；发表了系列学术论文，培养了多名硕士研究生。