（控制理论与控制工程专业论文）混杂动态系统的预测控制器设计与性能分析.pdf

j l p h d d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a ij i a ot o n g u n i v e r s i t y p r e d i c t i v ec o n t r o l l e rd e s i g na n d p e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o rh y b r i dd y n a m l c a l s y s t e m s s p e c i a l t y ：c o n t r o lt h e o r ya n de n g i n e e r i n g a u t h o r ：z o u y u a n y u a n a d v i s o r ：p r o f l is h a o y u a n s c h o o lo fe l e c t r o n i c sa n de l e c t r i ce n g i n e e r i n g s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y s e p t e m b e r 19 ，2 0 0 9 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 ( 请在以上方框内打“”) 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者弛铷暖指导撕躲 嗍：叩年夕月堋 i 嘞涉 嗍：j 乡年哆1 月矽日 | 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：卸握d 曩 日期：渺夕年乡月p e t ， 7 l 上海交通大学博士学位论文答辩决议书 姓 名i 邹嫒媛l 学号l 0 0 5 0 3 2 2 0 0 2l 霎蠢l 控制理论与控制工程 指导教师l 李少远1 菩茹l 2 0 0 9 0 9 - 1 9l 耄翟l 徐汇区教二楼2 2 6 论文题目l 混杂动态系统的预测控制器设计与性能分析 投票表决结果：么么 ( 同意票数实到委员数应到委员数) 答辩结论：蛔通过 口未通过 ， 评语剃决议： 邹媛嫒的博士学位论文研究了混杂动态系统的预测控制器设计与闭环系统性 能分析，论文选题具有前沿性，研究内容具有重要理论意义和应用价值。 论文工作取得的主要结果包括：针对离散时间p w l 系统，分别考虑带有附加干 扰项和凸多面体的不确定性描述形式，设计了鲁棒预测控制器；对于连续时间p w l 系统，论文提出了有界控制和预测控制相结合的混合控制策略，保证了闭环系统的 全局稳定性；对具有混杂动态特性的网络控制系统，论文采用多速率模式描述网络 时滞，将闭环系统建模为切换系统，设计了能够补偿网络时滞的可镇定预测控制器； 论文还提出了一种多速率网络控制系统滚动时域状态估计器，并引入逻辑变量组成 的通信调度矩阵，将网络控制系统建模为混合逻辑动态系统，给出了能够动态分配 网络资源的可镇定预测控制器设计方法。 论文内容充实，结构合理，论述严谨，写作规范，研究成果具有创新性。论文 表明作者已经掌握了本学科坚实宽广的理论基础和深入系统的专门知识，独立从事 科研研究工作的创新能力强。答辩过程中思路清晰，表述准确，回答问题正确。经 答辩委员会无记名投票，一致同意通过其博士论文答辩，并建议授予邹媛嫒工学博 士学位。 砂夕年尹月，夕日 答 辩 委 员 会 成 员 裕 鼎 职务姓名职称单位 签名 生席 俞金寿教授 华东理工大学 委员丁永生教授东华大学 委员 许维胜教授矧济大学 委员 席裕庚 教授上海交通大学 委员 关新平教授 上海交通大学 委员 委员 李少远教授 上海交通大学 杨根科教授上海交通大学 秘书 朱莉莉 工程师上海交通大! 学 上海交通大学博士学位论文 混杂动态系统的预测控制器设计与性能分析 摘要 许多复杂的生产过程不仅包含了连续的物理、化学和生物反应，而且受到大量的逻辑规则约 束、不同操作模式间的切换、人为指令等影响，表现出一种混杂动态特性。对于这类同时存在连 续变量动态与离散事件动态，以及动态之间相互影响、相互作用的复杂系统称为混杂动态系统。 由于混杂动态系统本质上是非线性的、甚至是不光滑的，使得其控制问题，特别是具有约束情况 下的控制非常困难。预测控制能有效地处理约束、不确定性和时滞等问题，并且具有对模型的宽 容性、有限时域滚动优化的有效性等特点，为混杂动态系统控制开辟了一条重要途径。本文采用 预测控制方法，对带有混杂动态特性的系统进行控制器设计、优化问题求解以及系统性能分析等 方面的探讨和研究。 本文的主要内容包括： 针对离散时间分段线性( p i e c e w i s el i n e a r ，p w l ) 系统，考虑实际控制问题中存在模型不确定性 和外界干扰的情况，提出了附加干扰项和凸多面体两种形式描述的不确定离散时间p w l 系 统的预测控制器设计方法。对带有附加干扰项的p w l 系统，通过加紧标称p w l 系统预测控 制优化问题的约束条件，刻画外界干扰对系统的影响程度，从而给出了紧约束预测控制方法。 所设计的预测控制器在保证闭环系统鲁棒可行性和收敛性的同时，降低了计算的复杂度。对 于p w l 系统具有多面体不确定性的情况，利用无穷时域预测控制策略，通过在线求解线性 矩阵不等式，提出了鲁棒预测控制器的设计方法，在此基础上，给出了一种改进的在线离线 相结合的鲁棒预测控制方法，以减少算法的计算量。 研究连续时间p w l 系统的控制问题，提出了具有稳定性保证的混合预测控制器设计方法。 首先，针对每一个子模态，分别设计有界控制器和预测控制器，并构造出连续时间p w l 系 统的稳定域估计集。然后，在稳定域估计集内，提出了一种基于预测控制和有界控制的混合 控制切换策略，使得每个子模态在保证稳定性的同时，最优性也得到改善。在此基础上，利 用多l y a p u n o v 函数方法，保证了不同子模态之间切换的稳定性。该方法只需要针对每个子 模态计算二次规划，不必对整个p w l 系统求解定性和定量双重指标下的优化问题，降低了 优化问题的计算复杂度。 网络控制系统是一类典型的具有混杂动态特性的系统，在运行的过程中不可避免地包含相互 作用的离散和连续动态，因此，可以利用混杂动态系统控制理论和方法去解决网络控制系统 第1 页 摘要 中遇到的问题。采用多速率模式描述网络控制系统，可以减少由于网络拥塞而造成的信息丢 失，得到更好的系统响应。针对输出采样周期是输入更新周期整数倍的多速率网络控制系统， 将其建模为切换系统，给出了稳定性充分条件，并利用预测控制中的未来控制序列，对快速 率控制律进行补偿，设计了依赖系统状态的能够镇定多速率网络控制系统的预测控制器。所 提出的可镇定预测控制与传统的预测控制相比，可以有效地补偿网络诱导时滞对系统的影 响。 网络带宽资源的限制，会产生网络诱导时滞、数据包丢失等问题，从而导致被控系统的性能 降低甚至使系统失稳。为解决这一问题，一方面可以从系统设计的角度出发，对网络诱导时 滞和丢包进行补偿。另一方面，可以从改善网络通讯性能出发，通过对网络通讯资源进行合 理地分配和调度，降低网络带宽资源限制发生的可能性。从系统设计的角度出发，提出了一 种多速率滚动时域状态估计器，以克服网络诱导时滞的影响，并对估计器的稳定性和无偏性 进行了分析，给出当系统干扰有界情况下估计误差的上界。考虑到网络通讯约束对网络控制 系统的影响，从改善网络通讯性能出发，通过引入逻辑变量组成的通讯调度矩阵，将多速率 网络控制闭环系统建模为混合逻辑动态系统，提出了一种可镇定预测控制器设计方法。这种 预测控制方法，在每个慢采样时刻，通过求解混合整数二次规划问题，得到一组稳定的快速 率控制律，同时也得到了相应的网络调度策略。 关键词；混杂动态系统、预测控制、稳定性、鲁棒性、网络控制系统、时滞 第u 页 一 上海交通大学博士学位论文 p r e d i c t i v ec o n t r o l l e rd e s i g na n d p e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o rh y b r i dd y n a m i c a l s y s t e m s a b s t r a c t m a n yc o m p l e xp r o c e s s e sn o to n l yi n c l u d ec o n t i n u o u sp h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i cr e a c t i o n ，b u t a l s oa r ei n f l u e n c e db yl o g i cc o n s t r a i n t s ，s w i t c h i n gb e t w e e nd i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e sa n dh u m a n c o m m a n d ，e x h i b i t i n gh y b r i dd y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ac l a s so fc o m p l e xs y s t e m si nw h i c hc o n t i n u o u s d y n a m i cb e h a v i o ra n dd i s c r e t ed y n a m i cb e h a v i o ri n t e r a c ta r ec a l l e dh y b r i dd y n a m i c a ls y s t e m s t h e n o n l i n e a r i t ya n de v e nn o n s m o o t h n e s so fh y b r i dd y n a m i c a ls y s t e m si nn a t u r em a k et h ep r o b l e m so f c o n t r o l l e rd e s i g na n da n a l y s i sv e r yd i f f i c u l t , e s p e c i a l l yt h ec a s ew i t hc o n s t r a i n t s p r e d i c t i v ec o n t r o lc a n d e a lw i t hc o n s t r a i n t s ，u n c e r t a i n t i e sa n dt i m ed e l a y s a l s o ，i th a st h et o l e r a n c eo fm o d e la p p l i e df o r p r e d i c t i o na n de f f i c i e n c yo ff i n i t er e c e d i n gh o r i z o no p t i m i z a t i o n t h e r e f o r e ，t h i sm e t h o d o l o g yp r o v i d e s a ni m p o r t a n tw a yf o rt h ec o n t r o lo fh y b r i dd y n a m i c a ls y s t e m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，p r e d i c t i v ec o n t r o li s e m p l o y e df o rh y b r i dd y n a m i c a ls y s t e m s ，a n dt h ec o n t r o l l e rs y n t h e s i s ，t h es o l u t i o no fo p t i m i z a t i o na n d t h ea n a l y s i so f s y s t e mp e r f o r m a n c ea l es t u d i e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s p r e d i c t i v ec o n t r o l l e rd e s i g nm e t h o d sf o rd i s c r e t et i m ep i e c e w i s el i n e a r ( p w l ) s y s t e m sa r es t u d i e d i nc o n s i d e r a t i o no ft h em o d e l i n gu n c e r t a i n t ya n dd i s t u r b a n c e s 。f o rp w l s y s t e m sw i t hc o n s t r a i n t s a n dp e r s i s t e n t , u n k n o w nb u tb o u n d e dd i s t u r b a n c e s ，ac o n s t r a i n t st i g h t e n i n gr o b u s tp r e d i c t i v e c o n t r o l l e ri sp r e s e n t e d b a s e do no p t i m i z a t i o np r o b l e mo fp r e d i c t i v ec o n t r o lf o rn o m i n a lp w l s y s t e m s ，t h ec o n s t r a i n t sa r et i g h t e n e dt oo v e r c o m et h ei n f l u e n c eo fp e r s i s t e n tb o u n d e dd i s t u r b a n c e s t h ep r o p o s e dp r e d i c t i v ec o n t r o l l e rc a ng u a r a n t e er o b u s tf e a s i b i l i t ya n dc o n v e r g e n c eo f c l o s e d l o o p p w ls y s t e m s 。a n dr e d u c et h ec o m p l e x i t yo f c o m p u t a t i o n f o ru n c e r t a i ns t r u c t u r eo fp w ls y s t e m s t h a ti sd e s c r i b e db yas e to fp o l y t o p i cp a r a m e t e rv a r y i n gm o d e l s ，a ni n f i n i t eh o r i z o no n - l i n e p r e d i c t i v ec o n t r o lt e c h n i q u ef o rg u a r a n t e e i n gr o b u s ts t a b i l i t yi sd e v e l o p e db ys o l v i n gl i n e a rm a t r i x m a t r i c e s ( l m i s ) o nt h eb a s i so ft h eo n - l i n ea l g o r i t h m ，a l li m p r o v e da l g o r i t h mi sp r o p o s e dt o r e d u c ec o m p u t a t i o n f o rc o n t i n u o u s - t i m ep w l s y s t e m s ，am i x e dp r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e dt og u a r a n t e e g l o b a ls t a b i l i t y f o re a c hm o d eo fp w ls y s t e m s 。ab o u n d e dc o n t r o l l e ra n dap r e d i c t i v ec o n t r o l l e r a r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l ba n das t a b l ee s t i m a t i o nr e g i o no fp w ls y s t e m si s d e v e l o p e d i nt h e s t a b l ee s t i m a t i o nr e g i o n 。am i x e dc o n t r o ls w i t c h i n gs t r a t e g yb a s e do np r e d i c t i v ec o n t r o la n d b o u n d e dc o n t r o li sg i v e nf o re a c hm o d et oa c h i e v et h er e c o n c i l i a t i o no fs t a b i l i t ya n do p t i m a l i t y p r o p e r t i e s w i t ht h es w i t c h i n gr u l e so fd i f f e r e n tm o d e so fp w ls y s t e m s ，t h eg l o b a ls t a b i l i t yc a nb e 第1 n 页 a b s t r a c t g u a r a n t e e d i nt h ep r o p o s e dm e t h o d ，o n l yq u a d r a t i cp r o g r a m m i n gp r o b l e m sa r ec o m p u t e d ，w h i c h r e d u c e so n l i n ec o m p l e x i t yo ft h eo p t i m i z a t i o no fh y b r i dd y n a m i c a ls y s t e m s a sac l a s so fh y b r i dd y n a m i c a ls y s t e m s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( n c s s ) i n c l u d ei n t e r a c t i n g d i s c r e t ea n dc o n t i n u o u sd y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s t h u s ，h y b d ds y s t e m sc o n t r o lt h e o r ya n d a p p r o a c h e sc a nb eu s e di nt h ec o n t r o lo fn c s s u s i n gm u l t i r a t es c h e m et od e s c r i b en c s sc a l l r e d u c et h el o s so fi n f o r m a t i o nc a u s e db yn e t w o r kc o n g e s t i o n ，a n dc a ng e tag o o dr e s p o n s e f o r m u l t i r a t en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( m n c s s ) w i t ht h eo u t p u ts a m p l i n gp e r i o ds e v e r a lt i m e sl a r g e r t h a nt h ei n p u tu p d a t i n gp e r i o d ，w ec a nu s ep r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yt og e n e r a t eas e to ff u t u r e c o n t r o ls e q u e n c e st oc o m p e n s a t ef o r t h en e t w o r k i n d u c e dt i m ed e l a y s t h ec l o s e d - l o o pm n c s s 锄屯 d e s c r i b e d 鹊s w i t c h e ds y s t e m s s u f f i c i e n ts t a b i l i t yc o n d i t i o n s 锄肥e s t a b l i s h e dv i aas w i t c h e d l y a p u n o vf u n c t i o na p p r o a c h t h e n ，ap r e d i c t i v ec o n t r o l l e rd e p e n d e n to ns t a t ef o rs t a b i l i z i n g m n c s si sp r o p o s e db a s e do naf i n i t ei n p u ta n ds t a t eh o r i z o nc o s tw i maf i n i t et e r m i n a lw e i g h t i n g m a t r i x c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lp r e d i c t i v ec o n t r o l ，t h ep r o p o s e ds t a b i l i z i n gp r e d i c t i v ec o n t r o l s t r a t e g yc a l lc o m p e n s a t ef o rt h ei n f l u e n c eo fn e t w o r k i n d u c e dt i m ed e l a y s l i m i t e dc a p a c i t yf o rt r a n s m i s s i o no fn c s sc a nl c a dt on e t w o r k i n d u c e dt i m ed e l a y s 。d a t al o s s e s a n do t h e rp r o b l e m s ，w h i c hc a nr e d u c es y s t e m sp e r f o r m a n c ea n de v e nd e s t a b i l i z es y s t e m s i no r d e r t oo v e r c o m et h e s ep r o b l e m s ，t h e r ea r et w oa p p r o a c h e s ：( i ) t h ei n f l u e n c eo fn e t w o r k - i n d u c e dt i m e d e l a y sa n dd a t ap a c k e tl o s sc a r l b ec o m p e n s a t e db ys y s t e ms y n t h e s i s ( i i ) t h ec o m m u n i c a t i o n p r o p e r t yc a l lb ei m p r o v e db yr e a s o n a b l ea l l o c a t i o na n ds c h e d u l i n go fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n r e s o u r c e s f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs y s t e m ss y n t h e s i s ，ar e c e d i n gh o r i z o ns t a t ee s t i m a t i o ni s p r o p o s e df o rm n c s st oo v e r c o m et h ei n f l u e n c eo fn e t w o r k i n d u c e dt i m ed e l a y s c o n v e r g e n c e r e s u l t sa n du n b i a s e d n e s sp r o p e r t i e sa r ea n a l y z e d a nu p p e rb o u n do fe s t i m a t i o ne r r o ri sp r e s e n t e d u n d e rt h ea s s u m p t i o no fb o u n d e dd i s t u r b a n c e sa c t i n go nt h es y s t e ma n dm e a s u r e m e n te q u a t i o n s t a k i n gt h ei n f l u e n c eo f c o m m u n i c a t i o nc o n s t r a i n t si n t oa c c o u n t , f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fi m p r o v i n g c o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e ，ac o m m u n i c a t i o ns c h e d u l i n gm a t r i xi si n t r o d u c e d t od e s c r i b e p o s s i b l es c h e d u l i n g ，a n dt h ec l o s e d l o o pm n c s sc a nb em o d e l e da s m i x e dl o g i cd y n a m i c a l s y s t e m s ap r e d i c t i v ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e db ys o l v i n ga m i x e di n t e g e rq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g p r o b l e m ，w h i c hn o to n l y c a ns t a b i l i z ec l o s e d - l o o ps y s t e m sb u ta l s oc a np r e s e n td y n a m i c a l s c h e d u l i n go fc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s k e y w o r d s ：h y b r i dd y n a m i c a ls y s t e m s ，p r e d i c t i v ec o n t r o l ，s t a b i l i t y , r o b u s t n e s s ，n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ，t i m ed e l a y 第页 目录 目录 摘要。 a b s t r a c t i i i i 第一章绪论。i 1 1 弓i 言。l 1 2 混杂动态系统预测控制的提出2 1 3 混杂动态系统预测控制研究现状4 1 3 1 混杂动态系统预测控制模型4 1 3 2 混杂动态系统预测控制算法4 】3 3 混杂动态系统预测控制的优化方法6 1 3 4 混杂动态系统预测控制的性能分析9 1 3 5 混杂动态系统预测控制的应用1 0 1 4 有待进一步研究的问题。1 l 1 5 本文主要内容1 2 第二章混杂动态系统预测控制问题描述。1 5 2 1 弓i 言l5 2 2 混杂动态系统1 5 2 2 1 分段线性系统1 6 2 2 2 网络控制系统。1 7 2 3 预测控制1 9 2 3 2 预测控制稳定性。2 l 2 3 3 预测控制鲁棒性2 5 2 4 本章小结2 8 第三章离散时间p w l 系统预测控制。3 0 3 1 弓l 言3 0 3 2 带有附加干扰项的p w l 系统紧约束预测控制3 l 3 2 2 紧约束预测控制算法3 3 3 2 3 可行性与收敛性分析。3 6 3 2 4 仿真研究4 l 3 3 带有凸多面体不确定性的p w l 系统预测控制4 3 3 3 1 鲁棒预测控制算法4 3 3 3 2 改进的鲁棒预测控制算法4 7 3 3 3 仿真研究4 8 3 4 本章小结5 0 第四章连续时间p w l 系统预测控制。5 2 4 1 弓l 言。5 2 4 2p w l 系统有界控制5 3 4 2 1 多l y a p u n o v 函数5 3 4 2 2 有界控制器设计5 4 4 3p w l 系统混合预测控制5 8 4 3 i 子模态预测控制5 9 4 3 2 保证稳定性的混合预测控制5 9 第1 页 目录 4 4 仿真研究6 3 4 。5 本章小结。6 5 第五章含时滞的多速率网络控制系统预测控制6 7 5 1 弓i 言6 7 5 2m n c s s 模型6 8 5 3m n c s s 稳定性分析7 3 5 3 1m n c s s 稳定性条件7 3 5 3 2 仿真研究7 4 5 4 保证稳定性的m n c s s 预测控制设计7 6 5 4 1m n c s s 镇定预测控制7 6 5 4 2 仿真研究8 0 5 5 本章小结8 4 第六章多速率网络控制系统状态估计与网络调度8 5 6 1 弓i 言8 5 6 2m n c s s 滚动时域状态估计8 6 6 2 1 滚动时域估计的实现8 6 6 2 2 估计器的性能分析9 0 6 2 3 仿真研究9 4 6 3m n c s s 网络调度9 6 6 3 1 带有通讯约束的m n c s s 建模9 6 6 3 2 基于预测控制的网络调度方法9 8 6 3 3 仿真研究9 9 6 4j 怔章、结1 0 0 第七章总结与展望。1 0 2 7 1 主要结论1 0 2 7 2 研究展望1 0 3 参考文献 附录符号与标记 致谢 读博士学位期间主要学术成果 攻读博士学位期间参与的科研项目 1 1 3 1 1 5 第n 页 1 1 7 嘲 上海交通大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 传统控制理论主要研究对象是以连续时间变量作为演化尺度，采用差分或微分方程来描述的 连续变量动态系统( c o n t i n u o u sv a r i a b l e sd y n a m i cs y s t e m ，c v d s ) 。c v d s 的动态过程服从物理学 定律( 如电学、力学、热学等的定律) 或广义物理学定律( 如经济学、人口学、生态学、社会学等的 规律) 。基于数学理论，这类系统在建模、分析、控制和优化等方面已取得了丰富的理论成果，并 在实际中得到了广泛的应用。随着计算机通讯技术的发展，出现了一类由事件驱动，并由离散事 件按照一定的运行规则相互作用，从而导致系统状态演化的动态系统，即离散事件动态系统 ( d i s c r e t ee v e n td y n a m i cs y s t e m ，d e d s ) l 。在这类系统中，对系统的行为进程起决定作用的是一 批离散事件，而不是连续变量，系统所遵循的是一些复杂的人为规则，而不是物理学或广义物理 学规律。针对d e d s 系统，目前已提出了多种研究方法，例如，统计层面的排队网络法，逻辑层 面的有限自动机法、p e t r 网法等。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着通讯技术、控制技术和计算机技术的发展及广泛应用，人们着眼的 系统规模越来越大，内容、结构也越来越复杂。例如，工业生产过程【2 l 、现代交通管理系统p 一、 通信和计算机网络【5 】等大型系统，既有连续变量所描述的物理层的动态演化过程，又有以符号操 作和离散监控决策为特征的高层协调优化过程。在这些过程中，对控制系统功能的要求越来越高， 表现为集底层控制、加工调度、运行管理和总体优化于一体的多任务多功能的控制和决策。控制 机构的复杂性不仅表现在数学公式的表达和数值计算，而且要考虑将人们的经验知识容纳进去。 控制对象的复杂性表现在系统中既包含了连续的物理、化学和生物反应，又含有电磁阀、点位开 关等不连续设备和大量的逻辑规则的约束。因此，以往从控制领域专家的观点出发，采取c v d s 描述系统，或者从计算机领域专家的角度出发，采用d e d s 描述系统，都不能适应复杂系统控制 的要求。混杂动态系统( h y b r i dd y n a m i c a ls y s t e m ，h d s ) 正是在这一背景下，针对连续变量动态系 统与离散事件动态系统之间存在着的相互耦合作用及其所表现出的特殊的动力学特性提出来的。 由于混杂动态系统的复杂性，目前还没有形成一个统一和公认的定义。混杂动态系统在广义 上指系统包括相互作用的连续过程与离散过程，狭义上是指一个系统中既包括离散变量，又包括 连续变量的系统1 2 , j 。 混杂动态系统在综合了c v d s 和d e d s 演化特征的基础上，表现出更加复杂的动态行为。混 杂动态系统及其控制问题的研究，已成为目前控制理论界关注的热点之一。围绕混杂动态系统的 建模、属性分析及控制器设计等问题，国内外学者提出的研究思想和方法可分为两类，一是将混 杂动态系统的研究建立在传统连续系统理论的基础上，拓展了表示连续变量和时间的微分方程， 第l 页 第一章绪论 以包含体现状态跳变的离散事件和变量，使其可以表示模式切换系统。二是把离散事件系统中有 关的校验和监控理论拓展到混杂系统领域。通常这类方法能处理由自动机或p e t r i 网等描述的复 杂的离散动态，解决的问题主要侧重于性能需求的校验及控制器设计。本文将基于第一类方法， 考虑包含了反映离散事件或逻辑状态等离散特性对连续特性的作用的、用微分方程或差分方程描 述的混杂动态系统控制问题。 本章内容组织如下：1 2 节提出采用预测控制策略研究混杂动态系统的必要性；1 3 节从混杂 动态系统预测控制的模型、控制算法、优化方法、性能分析等方面综述了国内外研究现状；1 4 节提出混杂动态系统预测控制有待于进一步研究的问题；1 5 节结合本文拟解决问题的出发点和 背景，阐述本文的结构和主要研究内容。 1 2 混杂动态系统预测控制的提出 一般来说，连续变量动态系统的控制目标是在给定的约束条件下，从允许控制域中求得控制 律，使性能指标函数达到设定值。离散事件动态系统的控制目标是按照事件发生的逻辑选择，在 尽可能早地完成任务的同时，不发生严重阻塞或冲突。而对于混杂动态系统控制，其控制的目标 则是在一定的约束条件下，使系统的离散事件部分按照优化的逻辑关系，实现各个不同阶段的动 态演进，同时，以尽可能小的广义能量消除状态误差。为实现这样的控制目标。传统控制中的自 适应控制【9 j 、监督控制【l o l 、容错控制1 等控制方法已应用于混杂动态系统的综合。但是，由于混 杂动态系统本质上是非线性的甚至是不光滑的，因此，对于混杂动态系统的控制，特别是对具有 约束情况下的控制的研究工作，具有相当的难度，至今尚没有公认的好的方法。 模型预测控锘l j ( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l ，m p c ) 或称滚动时域控锘l j ( r e c e d i n gh o r i z o nc o