基于干扰观测器的模型预测控制器设计与实现

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1、分类号：TP273单位代码：10183研究生学号：2015522063密级：公开吉林大学硕士学位论文(学术学位)基于干扰观测器的模型预测控制器设计与实现Thedesignandrealizationofthemodelpredictivecontrollerbasedondisturbanceobserver作者姓名:李宗俐类别:学术硕士领域（方向）:控制理论与控制工程指导教师:陈虹教授培养单位:通信工程学院2018年6月基于干扰观测器的模型预测控制器设计与实现DesignandRealizationofModelPredictiveControl

2、lerBasedonDisturbanceObserver作者姓名:李宗俐领域（方向）:控制理论与控制工程指导教师:陈虹教授学位类别:工学硕士答辩日期:2018年06月2日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人均不得对本论文的全部或部分，内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学硕士学位论文原创性声明：，是本人在指导教师的指导下本人郑重声明所呈交学位论文，独立进行研究工作所取得的成果。

3、除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研宄做出重要贡献的个人和集体，均己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：相則日期：２０１８年６月么日摘摘摘　　　要要要基基基于于于干干干扰扰扰观观观测测测器器器的的的模模模型型型预预预测测测控控控制制制器器器设设设计计计与与与实实实现现现学学学生生生姓姓姓名名名：：：李李李宗宗宗俐俐俐专专专业业业名名名称称称：：：控控控制制制理理理论论论与与与控控控制制制工工工程程程指指指导导导教教教师师

4、师：：：陈陈陈虹虹虹教教教授授授目前在复杂的工业控制中，特别是在慢动态系统当中，模型预测控制由于其具备预测模型、滚动优化和反馈校正等三大特征，可以处理多变量多约束问题，已经受到广泛应用，然而在处理快动态系统的控制问题时，由于实际系统固有的非线性以及控制精度的要求，线性模型预测控制的使用范围有限，而非线性模型预测控制在求解非线性预测方程时，计算时间过长，对整个快速动态系统的控制会产生较大的求解时间负担，特别是在预测时域较长时，求解优化问题时间过长大大限制了模型预测控制在快速动态系统（如汽车电子控制系统等）中的应用。为了解决非线性模型预测控制在快速动态

5、系统中求解时间过长的问题，本文设计了一种基于干扰观测器的线性模型预测控制器，对非线性被控对象进行线性化处理，得到线性化模型，在线性模型中加入线性化导致的模型误差干扰，然后根据此模型设计干扰观测器，本文采用扩张状态观测器作为干扰观测器，观测器的干扰结果实时返回到预测模型中，利用此模型设计线性模型预测控制器，达到非线性模型预测控制器的控制效果，这样就可以解决由于求解时间过长导致无法使用非线性模型预测控制的问题，最后采用FPGA针对控制算法的具体求解过程进行硬件加速。本文主要设计了基于干扰观测器的线性模型预测控制器。根据单输入单输出永磁直流电机模型和多输

6、入多输出7自由度电动汽车模型分别设计了转速控制器和车辆横摆稳定性控制器，对比了该方法与传统非线性模型预测控制的求解时间和控制效果，离线仿真实验结果验证了该方法的有效性，同时为了满足实际控制系统对于控制器的求解精度和实时性要求，本文以永磁直流电机的低转速控制为例，详细介绍了代码的转化以及优化综合过程，利用高级综合工具将用C/C++语言编写的控制算法转换为硬件语言，最终完成FPGA硬件仿真调试，给出求解时间以及资源占用报告，一次算法求解时间可以控制在1.6ms左右，验证了控制器的控制有效性和实时性。本文进行的工作主要包括以下几个方面：1.首先针对单输入

7、单输出永磁直流电机转速控制系统，将永磁直流电机的非线性控制器模型简化为线性模型，然后设计低速区干扰扩张状态观测器和线性模型预测控制器，将观测器的结果补偿到线性模型当中，利用线性模型预测控制器对永磁直流电机进行转速控制。并且为了验证本文提出方法可以有效缩减预测控制求解时间，设计了传统的非线性模型预测控制器，通过使用MATLAB完成离线仿真验证，对比两种控制1方法的控制效果以及求解时间，初步证明了本文所提方法相对于传统非线性模型预测控制可以大幅缩减优化求解时间。2.针对多输入多输出快速动态系统的控制，本文利用自抗扰控制算法当中的扩张状态观测器原理为多输

8、入多输出控制系统设计多变量扩张状态观测器，并利用一个多入多出系统验证了该观测器的收敛性与状态估计的准确性，采用二自由度车辆