模型预测控制及其MATLAB实现

g11=poly2tfd(12.8,[16.7,1],0,1);%POL Y2TFD Create transfer functions in 3 row representation将通用的传递函数模型转换为MPC传递函数模型% g = poly2tfd(num,den,delt,delay)% POL Y2TFD creates a MPC toolbox transfer function in following format:%g为对象MPC传递函数模型% g = [ b0 b1 b2 ... ] (numerator coefficients)% | a0 a1 a2 ... | (denominator coefficients)% [ delt delay 0 ... ] (only first 2 elements used in this row)%% Inputs:% num : Coefficients of the transfer function numerator.% den : Coefficients of the transfer function denominator.% delt : Sampling time. Can be 0 (for continuous-time system)% or > 0 (for discrete-time system). Default is 0.% delay : Pure time delay (dead time). Can be >= 0.% If omitted or empty, set to zero.% For discrete-time systems, enter as PERIODS of pure% delay (an integer). Otherwise enter in time units.g21=poly2tfd(6.6,[10.9,1],0,7);g12=poly2tfd(-18.9,[21.0,1],0,3);g22=poly2tfd(-19.4,[14.4,1],0,3);delt=3;ny=2;tfinal=90;model=tfd2step(tfinal,delt,ny,g11,g21,g12,g22)%对于这个例子,N=90/3=30figure(3)plot(model)%TFD2STEP Determines the step response model of a transfer function model.传递函数模型转换成阶跃响应模型% plant = tfd2step(tfinal, delt2, nout, g1)% plant = tfd2step(tfinal, delt2, nout, g1, ..., g25)% The transfer function model can be continuous or discrete.%% Inputs:% tfinal: truncation time for step response model.% delt2: desired sampling interval for step response model.% nout: output stability indicator. For stable systems, this% argument is set equal to number of outputs, ny.% For systems with one or more integrating outputs,% this argument is a column vector of length ny with% nout(i)=0 indicating an integrating output and% nout(i)=1 indicating a stable output.% g1, g2,...: SISO transfer function described above ordered% to be read in columnwise (by input). The number of % transfer functions required is ny*nu. (nu=number of % inputs). Limited to ny*nu <= 25.%% Output:% plant: step response coefficient matrix in MPC step format. plant=model;P=6;M=2;ywt=[];uwt=[1 1];Kmpc=mpccon(model,ywt,uwt,M,P)%ywt,uwt : 相当于Q,R%MPCCON Calculate MPC controller gains for unconstrained case.% Kmpc = mpccon(model,ywt,uwt,M,P)% MPCCON uses a step-response model of the process.% Inputs:% model : Step response coefficient matrix of model.% ywt,uwt : matrices of constant or time-varying weights.相当于Q,R% If the trajectory is too short, they are kept constant% for the remaining time steps.% M : number of input moves and blocking specification. If% M contains only one element it is the input horizon% length. If M contains more than one element% then each element specifies blocking intervals.% P : output (prediction) horizon length. P = Inf indicates the% infinite horizon.%% Output:% Kmpc : Controller gain matrixtend=30;r=[0 1];[y,u]=mpcsim(plant,model,Kmpc,tend,r);%plan为开环对象的实际阶跃响应模型%model为辨识得到的开环阶跃响应模型%Kmpc相当于D阵%Tend仿真的结束时间.%R输出设定值和参考轨迹%r=[r1(1) r2(1)...rny(1);r1(2) r2(2)....rny(2);... r1(N) r2(N) ...rny(N)]%y:控制输出%u:控制变量%ym:模型预测输出%MPCSIM Simulation of the unconstrained Model Predictive Controller.% [y,u,ym] = mpcsim(plant, model, Kmpc, tend, r,usat, tfilter,% dplant, dmodel, dstep)% REQUIRED INPUTS:% plant(model): the step response coefficient matrix of the plant (model)% generated by the function tfd2step% Kmpc: the constant control law matrix computed by the function mpccon% (closed-loop simulations).For open-loop simulation, controller=[].% tend: final time of simulation.% r: for the closed-loop simulation, it is a constant or time-varying% reference trajectory. For the open-loop simulation, it is the% trajectory of the manipulated variable u.% OPTIONAL INPUTS:% usat: the matrix of manipulated variable constraints.It is a constant% or time-varying trajectory of the lower limits (Ulow), upper limits% (Uhigh) and rate of change limits (DelU) on the manipulated % variables. Default=[].% tfilter: time constants for noise filter and unmeasured disturbance lags.% Default is no filtering and step disturbance.% dplant: step response coefficient matrix for the disturbance effect on the% plant output generated by the function tfd2step. If distplant is% provided, dstep is also required. Default = [].% dmodel: step response coefficient matrix for the measured disturbance% effect on the model output generated by the function tfd2step.% If distmodel is provided, dstep is also required. Default=[].% dstep: matrix of disturbances to the plant. For output step disturbances% it is a constant or time-varying trajectory of disturbance values% For disturbances through step response models,it is a constant or% time-varying trajectory of disturbance model inputs.Default=[].% OUTPUT ARGUMENTS: y (system response), u (manipulated variable) and% ym (model response)plotall(y,u,delt)figure(2)plot(y,'*')南通大学毕业设计（论文）任务书题目锅炉液位系统的DMC-PID控制学生姓名朱养兵学院电气工程学院专业自动化班级自051学号0512012010起讫日期2009.2 －2009.6指导教师李俊红职称讲师发任务书日期2009 年2 月18 日●MATLAB 软件●JX-300X组态监控软件●浙大中控DCS●上海齐鑫公司过程控制对象●PC机。

求用matlab编BP神经网络预测程序求一用matlab编的程序P=[。

];输入T=[。

];输出% 创建一个新的前向神经网络net_1=newff(minmax(P),[10,1],{'tansig','purelin'},'traingdm')% 当前输入层权值和阈值inputWeights=net_1.IW{1,1}inputbias=net_1.b{1}% 当前网络层权值和阈值layerWeights=net_1.LW{2,1}layerbias=net_1.b{2}% 设置训练参数net_1.trainParam.show = 50;net_1.trainParam.lr = 0.05;net_1.trainParam.mc = 0.9;net_1.trainParam.epochs = 10000;net_1.trainParam.goal = 1e-3;% 调用TRAINGDM 算法训练BP 网络[net_1,tr]=train(net_1,P,T);% 对BP 网络进行仿真A = sim(net_1,P);% 计算仿真误差E = T - A;MSE=mse(E)x=[。

]';%测试sim(net_1,x) %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%不可能啊我200928对初学神经网络者的小提示第二步：掌握如下算法:2.最小均方误差,这个原理是下面提到的神经网络学习算法的理论核心,入门者要先看《高等数学》（高等教育出版社，同济大学版）第8章的第十节：“最小二乘法”。

3.在第2步的基础上看Hebb学习算法、SOM和K-近邻算法，上述算法都是在最小均方误差基础上的改进算法，参考书籍是《神经网络原理》（机械工业出版社，Simon Haykin著，中英文都有）、《人工神经网络与模拟进化计算》（清华大学出版社，阎平凡，张长水著）、《模式分类》（机械工业出版社，Richard O. Duda等著，中英文都有）、《神经网络设计》（机械工业出版社，Martin T. Hargan等著，中英文都有）。

模型预测控制mpc基本知识
模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）是一种先进的控制方法，它通过将系统建模为数学模型，利用模型进行预测，并根据预测结果进行控制决策。

它采用一个预测模型来表示控制对象的动态行为，并基于当前时刻的测量值和控制变量的限制条件，预测未来一段时间内的控制变量和系统输出，并优化这些变量的选择，从而在控制满足性能指标的前提下，实现对系统的优化控制。

MPC的基本流程如下：
1. 建立系统数学模型，包括状态方程和输出方程等。

2. 对系统进行预测，根据当前时刻的控制输入和系统输出，预测未来一段时间内的系统状态和输出。

3. 设定控制目标和约束条件，将控制目标转化成数学优化问题，以当前状态为初始状态，求解出最优的控制输入。

4. 实施控制，将求解得到的最优控制输入应用于系统中。

5. 不断重复以上步骤，实现对系统的优化控制。

MPC的主要特点是：
1. 能够充分考虑系统的动态特性，适用于高度非线性、多变量、耦合的复杂过程控制。

2. 能够通过设定约束和权重等条件，实现对控制过程中各种限制的有效处理。

3. 能够对未来一段时间内的控制输入进行优化，从而实现远期
优化控制。

MPC适用于化工、制造业、交通运输、能源等领域的自动控制和过程优化。

它在国际上已经得到广泛应用，在我国也有越来越多的应用实例。

现代控制理论中的模型预测控制和自适应控制在现代控制理论中，模型预测控制和自适应控制是两种广泛应用的控制方法。

这两种控制方法各有优劣，适用于不同的控制场景。

本文将分别介绍模型预测控制和自适应控制的基本原理、应用范围和实现方法。

模型预测控制模型预测控制（MPC）是一种基于数学模型预测未来状态的控制方法。

MPC通过建立系统的数学模型，预测系统未来的状态，在控制循环中不断地更新模型和控制算法，实现对系统的精确控制。

MPC的核心思想是将控制问题转化为优化问题，通过最优化算法求解出最优的控制策略。

MPC的应用范围十分广泛，特别适用于需要对系统动态响应进行精确控制的场合，如过程控制、机械控制、化工控制等。

MPC 在控制精度、鲁棒性、适应性等方面都具有优异的表现，是目前工业控制和自动化领域的主流控制方法之一。

MPC的实现方法一般可分为两种，一种是基于离线计算的MPC，一种是基于在线计算的MPC。

离线计算的MPC是指在系统运行之前，先通过离线计算得到优化控制策略，然后将其存储到控制器中，控制器根据当前状态和存储的控制策略进行控制。

在线计算的MPC则是指在系统运行时，通过当前状态和模型预测计算器实时地优化控制策略，并将其传输到控制器中进行实时控制。

自适应控制自适应控制是指根据系统实时变化的动态特性，自动地调整控制算法和参数，以实现对系统的精确控制。

自适应控制可以适应系统动态响应的变化，提高控制精度和鲁棒性，是现代控制理论中的重要分支之一。

自适应控制的应用范围广泛，特别适用于对控制要求较高的复杂系统，如机械控制、电力控制、化工控制等。

自适应控制可以通过软件和硬件两种实现方式，软件实现是通过控制算法和参数的在线调整来实现，硬件实现则是通过控制器内部的调节器、传感器等硬件来实现。

自适应控制的实现方法一般可分为两种，一种是基于模型参考自适应控制（MRAC），一种是模型无关自适应控制（MIMO）。

MRAC是指通过建立系统的数学模型，基于参考模型的输出来进行控制的方法，适用于系统具有良好动态特性的场合；MIMO则是指在不需要建立系统数学模型的情况下，通过控制器内部的自适应算法来实现控制的方法，适用于系统非线性和时变性较强的场合。

模型预测控制公式模型预测控制（Model Predictive Control，简称 MPC）公式，听起来是不是有点高大上？但其实它在很多领域都有着重要的应用。

咱们先来说说模型预测控制到底是个啥。

简单来讲，它就像是一个聪明的“指挥官”，能够根据系统当前的状态和未来的目标，提前规划出一系列的控制动作。

MPC 的核心公式可以表示为：\[\begin{align*}\min_{u(k),\cdots,u(k+N_c-1)} & \sum_{i=1}^{N_p} \left( y(k+i|k) - r(k+i) \right)^2 + \sum_{i=0}^{N_c-1} \lambda_i u^2(k+i) \\\text{s.t.} & x(k+1|k) = Ax(k) + Bu(k) \\& y(k) = Cx(k) \\& u_{\min} \leq u(k+i) \leq u_{\max} \\& x_{\min} \leq x(k+i) \leq x_{\max} \\\end{align*}\]哎呀，别被这一堆公式给吓住啦！我来给您慢慢解释解释。

这里面的 \(y(k+i|k)\) 表示在 \(k\) 时刻对未来 \(i\) 时刻的输出预测，\(r(k+i)\) 则是未来 \(i\) 时刻的期望输出。

我们的目标就是让预测输出和期望输出的差距尽可能小，同时还要考虑控制动作 \(u(k)\) 的大小，不能太大也不能太小，得在允许的范围内。

我给您讲个我自己的经历吧。

有一次，我参加了一个智能机器人的研发项目。

这个机器人要在一个复杂的环境中自主移动，避开各种障碍物，到达指定的目标点。

这时候，模型预测控制就派上用场了。

我们通过各种传感器获取机器人当前的位置、速度、姿态等信息，然后把这些数据输入到模型预测控制的公式中。

就像是给这个“聪明的大脑”提供了思考的素材。

然后，公式开始运算，计算出接下来一段时间内机器人应该怎么移动，转向多少角度，速度是多少等等。

在电机控制中，MATLAB是一种非常强大的工具，可用于设计和分析电机控制算法。

以下是一些在MATLAB中常用的电机控制算法：1.PID控制：PID（比例-积分-微分）控制器是电机控制中最常用的一种控制器。

它基于误差（期望输出与实际输出之差）的比例、积分和微分来计算控制输入。

2.矢量控制（Vector Control）：矢量控制或磁场定向控制是一种用于永磁同步电机（PMSM）或感应电机（IM）的控制策略。

该方法通过变换电流来控制电机的转矩和磁通。

3.直接转矩控制（Direct Torque Control, DTC）：DTC是一种用于感应电机和永磁同步电机的控制策略，它直接控制电机的转矩和磁通，而不需要电流调节器。

4.模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）：MPC是一种优化控制策略，它通过预测模型来预测未来系统的行为，并选择使某个性能指标最优化的控制输入。

5.滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）：SMC是一种非线性控制策略，它可以使系统在存在不确定性和干扰的情况下仍然保持稳定。

6.自适应控制（Adaptive Control）：自适应控制是一种能够处理系统参数变化或未知干扰的控制策略。

它可以通过在线估计系统参数或干扰来自动调整控制器参数。

在MATLAB中，你可以使用Simulink来建模和仿真这些电机控制算法。

Simulink提供了一个直观的图形界面，使得你可以轻松地构建控制系统模型，并对其进行仿真和分析。

此外，MATLAB还提供了许多用于电机控制的工具箱，如Motor Control Toolbox和Simscape Electrical，这些工具箱提供了许多预定义的电机模型和控制算法，可以帮助你更快地开发电机控制系统。

模型预测控制（MPC）是一种优化方法，它结合了模型预测和动态控制，以实现更优的控制性能。

在强化学习中，模型预测控制方法可以用于处理具有不确定性和复杂性的问题，如连续时间的动态系统、连续和离散的动作空间等。

模型预测控制的主要步骤包括：
1. 预测模型：使用系统的动态模型来预测系统的未来状态。

2. 定义约束：定义一系列约束条件，包括系统限制、资源限制和目标限制等。

3. 优化目标：优化一个或多个目标函数，通常包括最大化期望回报和最小化某些损失函数。

4. 动态控制：根据当前的预测和优化结果，生成未来的控制输入，以最大化预测性能并满足所有约束。

在强化学习中应用模型预测控制的方法可以归纳为以下几种：
1. 策略优化：通过寻找一种策略，使得未来的预测性能（如回报）最大化。

强化学习中的Q-learning、Actor-Critic等方法就使用了模型预测控制的思想。

2. 时序规划：对于具有复杂时序结构的问题，可以使用MPC方法来规划连续的动作序列。

3. 动态调整：强化学习中的许多问题都涉及到动态系统的状态转移和奖励函数，这时可以使用MPC来根据系统的状态和过去的经验动态地调整控制策略。

总的来说，模型预测控制方法在强化学习中主要用于解决具有不确定性和复杂性的问题，通过结合模型预测和动态控制，可以实现更优的控制性能。