第1章網絡化分布式繫統的研究現狀1



1.1背景/ 2



1.2網絡化分布式繫統預測控制研究現狀/ 4



1.2.1網絡化滾動時域估計的研究現狀/ 4



1.2.2分布式預測控制的研究現狀及分類/ 5



1.3本書的主要內容/ 8



參考文獻/ 9



第2章具有隨機丟包的網絡化繫統的滾動時域狀態估計13



2.1概述/ 14



2.2具有反饋通道丟包的網絡化繫統的滾動時域狀態估計/
15



2.2.1問題描述/ 15



2.2.2網絡化滾動時域狀態估計器設計/ 17



2.2.3估計器的性能分析/ 20



2.2.4數值仿真/ 26



2.3具有兩通道丟包的網絡化繫統的滾動時域狀態估計/
30



2.3.1問題描述/ 30



2.3.2網絡化滾動時域狀態估計器設計/ 32



2.3.3估計器的性能分析/ 36



2.3.4數值仿真/ 40



2.4本章小結/ 46



參考文獻/ 47



第3章網絡化繫統的預測控制器設計49



3.1概述/ 50



3.2具有有界丟包的網絡化控制繫統的預測控制/ 51



3.2.1網絡化控制繫統的建模/ 52



3.2.2基於終端凸集約束的網絡化預測控制器設計/
55



3.2.3網絡化預測控制器的可行性與穩定性分析/
59



3.2.4數值仿真/ 63



3.3具有控制輸入量化的網絡化控制繫統的魯棒預測控制/
67



3.3.1網絡化控制繫統的建模/ 67



3.3.2穩定性分析和魯棒預測控制器設計/ 70



3.3.3數值仿真/ 84



3.4本章小結/ 88



參考文獻/ 89



第4章具有通信約束的網絡化繫統的滾動時域調度91



4.1概述/ 92



4.2網絡化滾動時域調度/ 93



4.2.1問題描述/ 93



4.2.2滾動時域調度策略/ 95



4.3網絡化控制繫統的滾動時域狀態估計/ 99



4.4網絡化滾動時域估計器的性能分析/ 101



4.5數值仿真與物理實驗/ 106



4.5.1數值仿真/ 106



4.5.2雙容液位繫統實驗/ 110



4.6本章小結/ 117



參考文獻/ 117



第5章局部性能指標的分布式預測控制119



5.1概述/ 120



5.2基於納什的分布式預測控制/ 121



5.2.1分布式預測控制器設計/ 121



5.2.2性能分析/ 122



5.2.3局部通信故障下一步預測優化策略的性能分析/
125



5.2.4仿真實例/ 130



5.3保證穩定性的約束分布式預測控制/ 135



5.3.1問題描述/ 135



5.3.2分布式預測控制設計/ 136



5.3.3性能分析/ 142



5.3.4仿真實例/ 149



5.4本章小結/ 152



參考文獻/ 153



第6章協調分布式繫統預測控制155



6.1概述/ 156



6.2非迭代協調分布式預測控制/ 157



6.2.1狀態、輸入耦合分布式繫統/ 157



6.2.2局部預測控制器設計/ 158



6.2.3性能分析/ 162



6.2.4仿真實例/ 166



6.3保證穩定性的約束協調分布式預測控制/ 171



6.3.1分布式繫統描述/ 171



6.3.2局部預測控制器設計/ 172



6.3.3性能分析/ 176



6.3.4仿真實例/ 182



6.4本章小結/ 186



參考文獻/ 186



第7章通信約束下的分布式繫統預測控制188



7.1概述/ 189



7.2基於作用域優化的分布式預測控制/ 190



7.2.1狀態、輸入耦合分布式繫統/ 190



7.2.2局部預測控制器設計/ 191



7.2.3性能分析/ 200



7.2.4數值結果/ 205



7.3高靈活性的分布式模型預測控制/ 211



7.3.1分布式繫統描述/ 212



7.3.2局部預測控制器設計/ 213



7.3.3性能分析/ 219



7.3.4仿真實例/ 225



7.4本章小結/ 233



參考文獻/ 233



第8章應用實例：加速冷卻過程的分布式模型預測控制235



8.1概述/ 236



8.2加速冷卻過程/ 237



8.2.1加速冷卻過程工藝及裝置儀表/ 237



8.2.2加速冷卻過程模擬平臺/ 239



8.2.3工藝控制要求/ 241



8.3裝置熱平衡方程/ 242



8.4基於優化目標再計算的分布式預測控制/ 244



8.4.1子繫統優化目標再計算/ 245



8.4.2子繫統狀態空間模型/ 246



8.4.3擴展Kalman 全局觀測器/ 249



8.4.4局部預測控制器/ 250



8.4.5局部狀態預估器/ 253



8.4.6局部控制器迭代求解算法/ 253



8.5模擬平臺算法驗證/ 254



8.6本章小結/ 259



參考文獻/ 259



索引261

隨著通信、網絡技術的快速發展，工程領域內廣泛存在的一類由空間上分布且相互關聯耦合的子繫統組成的分布式繫統（如大型石化、冶金過程，城市給排水、電力繫統等）的控制方式正在由集中式向網絡化的分布式控制方式轉變。分布式預測控制兼具分布式控制結構容錯性高、結構靈活性強和預測控制優化性能好、抑制干擾、顯示處理約束的優點，已成為網絡化分布式繫統的主流優化控制方法。因此，從促進科學實踐、培養人纔方面出發，有必要撰寫一部關於分布式繫統預測控制的專著。



本書主要內容來源於作者多年來關於網絡化分布式繫統預測控制狀態估計、協調策略、繫統綜合等分布式繫統預測控制關鍵環節和重要問題的繫統性研究成果的歸納與總結。國際上分布式預測控制基礎理論和應用方面的論文自2002年開始出現並逐漸豐富，2012年後呈現爆發式增長。很多文章發表在IEEE TAC、IFAC會刊等主流控制期刊上。分布式預測控制的優點使其在應用方面擴展到了流程工業、電力繫統、冶金行業等多個領域、正處於方興未艾的階段，繫統地介紹網絡化分布式繫統預測控制的書籍將對促進我國控制理論研究和工業應用都具有重要意義。



分布式繫統預測控制是在2001年由本書作者李少遠和席裕庚教授與卡耐基梅隆大學Krough教授同一時間在ACC會議上明確提出的。自此本書作者一直從事分布式預測控制的研究工作，
曾出版英文專著《Distributed Model Predictive Control for Plant-Wide
Systems》（John Wiley & Son出版社），該書主要針對工業過程的全流程優化展開，而本書主要針對網絡化分布式繫統如何設計預測控制的估計器、控制器、協調策略等方面展開。本書將是國內本繫統介紹分布式繫統預測控制方面的書籍。



本書第1章介紹了網絡化分布式繫統的研究現狀；第2～4章針對網絡化分布式繫統隨機丟包、延時等問題，介紹了網絡化滾動時域狀態估計，網絡化預測控制的設計與分析以及以保證狀態估計性能的滾動時域調度策略；第5～7章主要以如何提高繫統全局性能的協調策略為主線，介紹了作者提出的典型的基於Nash優化、局部性能指標、全局性能指標、作用域優化的分布式預測控制設計方法和繫統綜合；第8章介紹了網絡化分布式繫統預測控制在冶金過程中的典型應用實例。



本書主要面向對預測控制、網絡控制、信息物理繫統等方向感興趣的學者和從事該方面工作的研究人員、本科以上學生，以及從事流程工業、電力、冶金等行業的控制工程師，可以使讀者繫統了解分布式繫統預測控制的基本原理、算法、理論和應用技術，為科研和工程技術人員從事深入的理論研究、開展高水平的工業應用和推廣提供有益的參考。



本書得到了國家自然科學基金委重大項目（61590924）、傑出青年科學基金（60825302）及重點和面上基金（61233004、61833012、61673273）等項目的資助。本書出版之時，作者要特別感謝國家自然科學基金委員會長期以來的資助，同時也要感謝國內外學術界和工業界的同行們，正是與他們的有益交流，使作者對分布式繫統預測控制的理解不斷深入，並獲得啟發。



由於作者水平有限，書中疏漏之處在所難免，懇請廣大讀者批評指正。







著者