基于MATLAB的MIMO系统模型预测控制(MPC)仿真实现

一、MPC控制器设计

1.1 关键参数设置

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Np = 15; % 预测时域
Nc = 5;  % 控制时域
Q = eye(Np); % 输出权重矩阵
R = 0.1*eye(Nc); % 输入增量权重矩阵

1.2 约束条件定义

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umin = -40*ones(Nc,1);  % 输入下限
umax = 40*ones(Nc,1);   % 输入上限
ymin = -50*ones(Np,1);  % 输出下限
ymax = 50*ones(Np,1);   % 输出上限

二、二次规划问题构建

2.1 系统预测模型展开

构建状态转移矩阵和输入影响矩阵:

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% 状态预测矩阵
Phi = cell(Np,1);
for i = 1:Np
    Phi{i} = A^i;
end

% 输入影响矩阵
Gamma = cell(Np,1);
for i = 1:Np
    for j = 1:i
        Gamma{i} = Gamma{i} + A^(i-j)*B;
    end
end

2.2 约束条件编码

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% 构建QP参数
H = 2*(Gamma{1}'*Q*Gamma{1} + R);
f = 2*Gamma{1}'*Q*(Phi{1}*x0 - yr);

三、MATLAB仿真实现

3.1 主程序框架

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%% 初始化
x = zeros(n,1); % 初始状态
yr = [10; 20];  % 参考轨迹
u_prev = zeros(Nc,1); % 初始控制输入

%% 仿真循环
for k = 1:T_end
    % 构建QP问题
    H = 2*(Gamma{1}'*Q*Gamma{1} + R);
    f = 2*Gamma{1}'*Q*(Phi{1}*x - yr);
    
    % 约束条件
    Aeq = Gamma{1};
    beq = yr - Phi{1}*x;
    lb = u_prev(1:end-1) + umin(1:end-1);
    ub = u_prev(1:end-1) + umax(1:end-1);
    
    % 求解QP
    options = optimoptions('quadprog','Algorithm','interior-point-convex');
    delta_u = quadprog(H,f,[],[],Aeq,beq,lb,ub,[],options);
    
    % 应用控制输入
    u = u_prev(1) + delta_u(1);
    apply_control(u);
    
    % 更新状态
    x = A*x + B*u;
    y = C*x + D*u;
    
    % 存储数据
    save_data(t,y,u);
    
    % 滚动更新
    u_prev = [u; u_prev(1:end-1)];
end

3.2 关键函数实现

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% 状态更新函数
function x = update_state(x, u)
    x = A*x + B*u;
end

% 输出计算函数
function y = compute_output(x)
    y = C*x + D*u;
end

四、结果可视化与分析

4.1 跟踪性能分析

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figure;
subplot(2,1,1);
plot(t,y_ref,'r--',t,y,'b-o');
legend('参考轨迹','实际输出');
xlabel('时间(s)'); ylabel('输出值');

subplot(2,1,2);
stem(t(1:end-1),u);
xlabel('时间(s)'); ylabel('控制输入');

4.2 约束满足验证

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figure;
plot(t, u, 'b-o', t, umin*ones(size(t)), 'r--', t, umax*ones(size(t)), 'g--');
legend('实际输入','下限','上限');
title('输入约束满足情况');

参考代码 实现MIMO的MPC仿真 www.youwenfan.com/contentcsq/79382.html

五、工程应用扩展

5.1 多胞模型预测控制

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% 定义多个工作点
plant_modes = {@linearize_plant1,@linearize_plant2,@linearize_plant3};
mpc_controller = mpc_multimode(plant_modes);

5.2 鲁棒MPC实现

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% 添加不确定性描述
mpcobj = mpc(sys, Ts, Np, Nc);
mpcobj.Model.Nominal.U = [0;0];
mpcobj.Model.Nominal.Y = [0;0];
mpcobj.Model.Uncertainty = ss([0.1 0;0 0.1]);

六、参考文献
  1. Camacho E F, Bordons C. Model Predictive Control in the Science of RoboticsM. Springer, 2013.

  2. Bemporad A, Morari M. Control of Systems Integrating Logic, Dynamics, and ConstraintsM. Springer, 1999.

  3. MATLAB MPC Toolbox User's Guide (R2025a)

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