Model Predictive Control Toolbox

设计和仿真模型预测控制器

Model Predictive Control Toolbox™ 提供一系列函数、App 和 Simulink^® 模块，支持您利用线性和非线性模型预测控制 (MPC) 来设计和仿真控制器。您可以使用该工具箱指定被控对象和扰动模型、时域、约束和权重。通过运行闭环仿真，您可以评估控制器性能。

通过在运行时改变控制器权重和约束，您可以调整控制器的行为。该工具箱提供了可部署的优化求解器，同时还允许您使用自定义求解器。要控制非线性被控对象，您可以实现自适应、增益调度和非线性 MPC 控制器。对于采样速率较快的应用，您可以使用该工具箱从常规控制器生成显式模型预测控制器，或者实现近似解。

对于快速原型和嵌入式系统实现（包括优化求解器的部署），此工具箱支持 C 代码和 IEC 61131-3 结构化文本生成。

Model Predictive Control Toolbox 概述

设计模型预测控制器

设计 MPC 控制器以控制带输入和输出约束的 MIMO 系统。运行闭环仿真以评估控制器性能。

MPC 设计器

通过定义内部被控对象模型并调整时域、权重和约束，以交互方式设计 MPC 控制器。使用仿真场景验证控制器性能。比较多个 MPC 控制器的响应。

使用 MPC 设计器来设计控制器

使用 MPC 设计器比较多个控制器响应

从 MPC 设计器生成 Simulink 模型

从 MPC 设计器生成 MATLAB 代码

了解模型预测控制，第 6 部分：如何使用 Simulink 和 Model Predictive Control Toolbox 设计 MPC 控制器

在 Simulink 中设计 MPC

该工具箱提供 MPC Controller 等一系列模块，用于在 Simulink 中进行 MPC 控制器建模和仿真。对 Simulink 模型进行配平和线性化，以计算 MPC 控制器的内部线性时不变被控对象模型，并使用 Simulink Control Design™ 获取被控对象输入和输出的标称值。

在 Simulink 中设计 MPC 控制器

带有不稳定极点的飞行器

在平衡工况点设计模型预测控制器

MPC 控制器

Model Predictive Control Toolbox 快速入门

在 MATLAB 中设计 MPC

使用命令行函数设计 MPC 控制器。定义内部被控对象模型；调整权重、约束和其他控制器参数。仿真闭环系统响应以评估控制器性能。

通过命令行设计 MPC 控制器

多输入单输出被控对象控制

单输入单输出被控对象控制

多输入多输出非线性被控对象控制

通过命令行设计 MPC 控制器。

自动驾驶应用

使用预置 Simulink 模块加速 ADAS 系统开发。使用参考示例快速设计 ADAS 控制器。从 Simulink 模块生成代码，用于 MPC 控制器车载部署。

预置模块

以 Adaptive Cruise Control System、Lane Keeping Assist System 和 Path Following Control System 模块为起点，设计 ADAS 应用并按需自定义。从预置模块生成代码用于车载部署。

使用模型预测控制实现自动驾驶

使用模型预测控制实现自适应巡航控制系统

使用模型预测控制实现车道保持辅助系统

基于单目相机感知实现车道跟随控制

使用预置 Simulink 模块设计自适应巡航控制系统。

参考应用示例

使用参考应用示例，了解为自动驾驶系统设计和部署 MPC 控制器的工作流程。此外，参考应用示例还可展示如何以不同的保真度对系统的各个部分建模。

基于传感器融合实现自适应巡航控制

基于车道检测实现车道保持辅助

基于传感器融合和车道检测实现车道跟随控制

使用自适应模型预测控制实现避障

使用模型预测控制实现基于传感器融合的自适应巡航控制

线性模型预测控制器

为具有线性动态特性的系统设计 MPC 控制器。为动态特性随工况变化的被控对象设计自适应和增益调度 MPC 控制器。

线性 MPC

设计线性 MPC 控制器，方法可以是将内部被控对象模型指定为使用 Control System Toolbox™ 创建的线性时不变 (LTI) 系统，也可以是使用 Simulink Control Design 将 Simulink 模型线性化。您还可以使用 System Identification Toolbox™ 导入基于测得的输入-输出数据创建的模型。

为位置伺服机构设计 MPC 控制器

控制小车上的倒立摆

具有多控制目标的热磨机械制浆工艺

带未测输出约束的直流伺服电机

为线性 MPC 设计指定内部被控对象模型。

自适应 MPC

使用命令行函数和 Adaptive MPC Controller 模块设计和仿真自适应 MPC 控制器。在运行时更新被控对象模型，并将其作为输入提供给控制器。使用具备渐近稳定性保障的内置线性时变 (LTV) 卡尔曼滤波器估计自适应模型预测控制器的状态。

使用线性变参数系统对非线性化学反应器进行自适应 MPC 控制

使用逐次线性化方法对非线性化学反应器进行自适应 MPC 控制

对小车上的倒立摆进行时变 MPC 控制

自适应 MPC

了解模型预测控制，第 7 部分：使用 Simulink 和 Model Predictive Control Toolbox 设计自适应 MPC

增益调度 MPC

使用 Multiple MPC Controllers 模块在各种工况下控制非线性被控对象。为每个工况点设计 MPC 控制器，并在运行时切换控制器。

对非线性化学反应器进行增益调度 MPC 控制

对小车上的倒立摆进行增益调度 MPC 控制

调度多个工况点上的控制器

增益调度 MPC

使用 Multiple MPC Controllers 模块设计增益调度 MPC 控制器。

MPC 参数规范、状态估计和设计检查

定义内部被控对象模型、调整控制器参数并仿真闭环系统响应以评估控制器性能，从而迭代改进控制器设计。检查控制器是否存在潜在的设计问题。

控制器参数

定义内部被控对象模型后，指定采样时间、预测和控制时域、缩放因子、输入和输出约束以及权重，完成 MPC 控制器设计。此工具箱还支持约束软化和时变约束与权重。

选择采样时间和时域

指定约束

指定缩放因子

调整权重

在 MPC 设计器中指定控制器参数。

状态估计

使用内置状态估计器，根据测得的输出估计控制器状态。此外，您也可以使用自定义算法进行状态估计。

控制器状态估计

自定义状态估计

自定义状态估计。

设计检查

使用内置的诊断功能，检测 MPC 控制器的潜在稳定性和鲁棒性问题。在控制器设计期间，可以使用此诊断结果调整控制器权重和约束，避免运行时故障。

检查模型预测控制器是否存在稳定性和鲁棒性问题

测试控制器鲁棒性

使用设计检查报告提供的建议改进控制器设计。

运行时参数调整和性能监控

通过调整运行时权重和约束来改进控制器性能。分析控制器的运行时性能。

运行时参数调整

调整 MPC 控制器的权重和约束，在运行时优化性能，无需重新设计或重新实现控制器。在 MATLAB^® 和 Simulink 中执行运行时控制器调整

在运行时改变输入和输出边界

调整控制器权重

在运行时调整时域

在运行时调整权重和约束。

运行时性能监控

访问优化状态信号，发现优化无法收敛的罕见情况。然后使用此信息指导备份控制策略决策。

监控优化状态以检测控制器故障

利用无扰动切换在控制器在线和离线状态之间切换

通过检查最优控制顺序来理解控制行为

根据最优代价切换控制器

实时检测控制器故障。

实现快速模型预测控制器

在计算资源有限的应用中设计、仿真和部署 MPC 控制器

显式 MPC

从隐式 MPC 设计生成显式 MPC 控制器以加快执行速度。简化生成的显式 MPC 控制器，减少内存占用。

设计显式 MPC 的工作流程

带未测输出约束的直流伺服电机的显式 MPC 控制

带有不稳定极点的飞行器的显式 MPC 控制

小车上的倒立摆的显式 MPC 控制

从先前设计的隐式控制器生成显式 MPC 控制器。

近似（次优）解

设计、仿真和部署 MPC 控制器，使用近似（次优）解保障最坏情况下的执行时间。

次优 QP 解法

在快速 MPC 应用中使用次优解

比较最优解和近似（次优）解的执行时间

非线性模型预测控制器

使用非线性预测模型、代价函数或约束来设计非线性 MPC 控制器，以控制被控对象。

最优规划

将非线性 MPC 控制器用于需要非线性模型以及非线性代价或约束的最优规划应用。

使用非线性 MPC 优化和控制飞行机器人轨道

使用非线性模型预测控制代客泊车

使用非线性 MPC 和自定义求解器优化结核病治疗

使用非线性 MPC 优化和控制飞行机器人轨道。

反馈控制

在非线性代价和约束下，仿真非线性被控对象的闭环控制。默认情况下，非线性 MPC 控制器使用 Optimization Toolbox™ 求解非线性编程问题。您也可以指定自定义非线性求解器。

放热化学反应器的非线性模型预测控制

使用非线性模型预测控制对倒立摆进行起摆控制

使用非线性模型预测控制实现车道跟随

使用 RRT 规划器和 MPC 跟踪控制器实现平行泊车

放热化学反应器的非线性模型预测控制。

经济 MPC

设计经济 MPC 控制器，在任意非线性约束下为任意代价函数优化控制器。您可以使用线性或非线性预测模型、自定义非线性代价函数和自定义非线性约束。

环氧乙烷生产的经济 MPC 控制

环氧乙烷生产的经济 MPC 控制。

代码生成

为在 Simulink 和 MATLAB 中设计的模型预测控制器生成代码，并为实时控制应用部署该代码。

使用 MATLAB 和 Simulink 生成代码

在 Simulink 中设计 MPC 控制器，并使用 Simulink Coder™ 生成 C 代码，或使用 Simulink PLC Coder™ 生成 IEC 61131-3 结构化文本。使用 MATLAB Coder™ 在 MATLAB 中生成 C 代码，并部署代码以进行实时控制。还可以使用 MATLAB Compiler™ 将 MPC 控制器打包，以作为独立应用程序共享。

使用 Simulink Coder 进行仿真并生成代码

在 MATLAB 中生成代码，计算最优 MPC 动作

使用 Simulink PLC Coder 进行仿真并生成结构化文本

日立安斯泰莫株式会社使用基于模型的设计针对自适应巡航控制开发模型预测器