模型预测控制及其MATLAB实现
预测控制
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。
用matlab编BP神经网络预测程序
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ppt
令
02 动态矩阵控制
动态矩阵控制以优化确定控制策略，在优化过程中， 同时考虑输出跟踪期望值和控制量变化来选择最优化准
则。往往不希望控制增量 Δ ｕ 变化过于剧烈，这一因
素在优化性能指标中加入软约束予以考虑。
02 动态矩阵控制
02 动态矩阵控制
02 动态矩阵控制
02 动态矩阵控制
02 动态矩阵控制
01预测控制概述
工业过程的特点 多变量高维度复杂系统难以建立精确的数学模型 工业过程的结构、参数以及环境具有不确定性、时变性、 非线性、强耦合，最优控制难以实现
预测控制产生
基于模型的控制，但对模型要求不高 采用滚动优化策略，以局部优化取代全局优化 利用实测信息反馈校正，增强控制的鲁棒性
限时域优化策略。优化过程不是一次离线进行，而是在线反
复进行优化计算，滚动实施，从而使模型失配、时变、干扰 等引起的不确定性能及时得到弥补，提高系统的控制效果。
02滚动优化
03反馈校正
模型失配
实际被控过程存在非线性、时变性、不确定性等原因，使基于模型的预测不可能准确地与实 际被控过程相符
反馈校正
从图中可以看出： 第一根曲线是模型失配时的输出 曲线，其快速性较差，超调量小；
第二根曲线是模型未失配时的输 出曲线，其快速性较好，但超调量 略大。
这验证了预测控制对于模型精度 要求不高的优势，即使模型失配， 也能取得不错的控制效果，
05
总结
总结
模型预测控制
预测控制：不仅利用当前和过去的偏差值，而且还利用预测模 型来预测过程未来的偏差值。以滚动优化确定当前的最优控制 策略，使未来一段时间内被控变量与期望值偏差最小
增大P： 系统的快速性变差，稳定性增强； 减小P： 快速性变好，稳定性变差。
模型预测控制mpc基本知识
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
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。
模型预测控制 PPT课件
现代典型过程对象的控制系统层次图
Unit1 为 传 统 结构 Unit2 为 MPC 结构
模型预测控制的基本特点
预测控制算法的核心内容：
建立内部模型 确定参考轨迹 设计控制算法 实行在线优化
预测控制算法的三要素为：
预测模型 滚动优化 反馈校正
模型预测控制的三要素
预测模型
对未来一段时间内的输出进行预测
工业自动化工具的发展（仪表）
年代 1950
1960
工业发展状况
仪表技术
化工、钢铁、纺织、造纸等，规 气动仪表，标准信号：20～100kPa
模较小；电子管时代
采用真空电子管；自动平衡型
记录仪
半导体技术；石油化工；计算机； 电动仪表，标准信号：0～10mA
大型电站；过程工业大型化
仪表控制室；模拟流程图；DDC
反馈校正
y (k+j|k)= ym(k+j|k) +e(k+j|k) e (k+j|k)= y (k|k) - ym (k|k)
反馈校正
2 3 y
u
4
yˆ(k 1) ym (k
e(k 1) yˆ(k
1
k k+1
t/T
1─k时刻的预测输出ym(k)
2─k＋１时刻实际输出y (k+1)
3─预测误差e(k+1)
预测模型形式
➢ 参数模型：如微分方程、差分方程、状态方程、 传递函数等
➢ 非参数模型：如脉冲响应、阶跃响应、模糊模型、 智能模型等
预测模型
基于模型的预测示意图（P=M）
过去
未来
3
y
4
1u2ຫໍສະໝຸດ k 时刻1—控制策略Ⅰ 2—控制策略Ⅱ 3—对应于控制 策略Ⅰ的输出 4—对应于控制策略Ⅱ的输出
matlab电机算法
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。
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模型预测控制及其MATLAB实现
模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）是一种先进的控制算法，用于处理动态系统的控制问题。
MPC通过在未来的时间范围内优化控制动作序列，以使系统的性能指标最小化，从而实现对系统的优化控制。
MPC的核心思想是建立一个系统模型，然后使用该模型来预测系统的行为，并根据预测结果进行优化控制决策。
具体而言，MPC首先使用系统模型对未来的状态和输出进行预测，然后根据预测结果计算出最优的控制动作序列。
接下来，仅施加最优的第一个控制动作，并在下一个采样时刻重复该过程。
这种迭代优化的过程可以使系统在每个采样时刻都能够进行最优的控制。
MPC的优势在于它可以处理多变量、非线性和时变系统，并且可以轻松地加入约束条件。
此外，MPC还能够在面对不确定性和扰动时提供鲁棒性，以确保控制系统的稳定性和性能。
因此，MPC在多个领域中都得到了广泛的应用，例如化工、能源、机械等。
在MATLAB中，有多种方法可以实现MPC控制算法。
最简单的方法是使用MPC工具箱，该工具箱提供了一套全面的函数和工具，用于建立系统模型、设定控制参数、优化控制决策等。
使用MPC工具箱，可以通过以下几个步骤来实现MPC控制：
1.建立系统模型：使用MATLAB的系统建模工具箱，建立系统的状态空间模型或传递函数模型。
2.设定控制参数：根据系统的性能指标和控制目标，设定MPC控制的参数，例如控制时域、控制权重和约束条件等。
3.优化控制决策：使用MPC工具箱提供的优化函数，根据系统模型和控制参数，计算最优的控制动作序列。
4.实施控制动作：根据最优的控制动作序列，施加最优的第一个控制动作，并等待下一个采样时刻。
5.重复步骤3和4：在每个采样时刻，重复步骤3和4，以实现迭代优化控制。
请注意，MPC控制算法的实现还可能涉及其他细节，例如状态估计、鲁棒性设计和性能评估等。
因此，在具体应用中，可能需要根据系统的特点和需求进行相应的调整和扩展。
总之，模型预测控制是一种先进的控制算法，通过优化控制决策来实现系统的最优控制。
在MATLAB中，可以使用MPC工具箱实现MPC控制算法，该工具箱提供了一套全面的函数和工具，用于建立系统模型、设定控制参数、优化控制决策等。