模型预测控制专辑
20世纪60年代初期发展起来并日趋完善的现代控制理论，具有最优的性能指标和系统而精确的理论设计方法，在航天航空、制导等领域中获得了卓越的成就。但是在应用于工业过程控制时却没有收到预期的效果。究其原因，现代控制理论的基础是精确的对象参数模型，而工业过程往往具有非线性、时变性、强耦合和不确定性等特点，难以得到精确的数学模型，因而控制效果将大大降低。面对理论发展与实际应用之间的不协调，人们从工业过程控制的特点与需求出发，探索各种对模型精度要求不高而同样能实现高质量控制的方法。模型预测控制(Model Predictive Control，简称预测控制)正是在这种背景下应运而生的一类新型控制算法。一经问世，它就在石油、电力和航空等工业中得到十分成功的应用并迅速发展起来。因此，预测控制的出现并不是某种理论研究的产物，而是在工业实践过程中发展起来的一种有效的控制方法。它的当前控制动作是在每一个采样瞬间通过求解一个有限时域开环最优控制问题而获得。过程的当前状态作为最优控制问题的初始状态，解得的最优控制序列只实施第一个控制作用。这是它与那些使用预先计算控制律的算法的最大不同。本质上模型预测控制求解一个开环最优控制问题。它的思想与具体的模型无关，但是实现则与模型有关。为了更深入了解相关概念，整合了本刊发表的模型预测控制方面的相关研究论文，共计19篇。制作了模型预测控制专辑，欢迎浏览。
主题关键词： 模型预测控制非线性模型预测控制
- 论文汇编
四轮毂驱动电动车辆横向稳定与侧倾预防协同控制策略
摘要：针对四轮轮毂驱动电动汽车在模型预测控制的框架下协同车辆的侧向、横摆运动与侧倾行为，提出一种集成车辆侧向稳定及防侧倾功能的控制策略。首先，为保证预测模型精度，采用非线性轮胎侧向力模型，对车辆未来侧向、横摆及侧倾状态进行预测；然后，基于模型预测控制方法设计控制器，将提高操纵性能、横向稳定性、抑制侧倾、平顺性和安全性等多个控制需求在控制器中集成考虑；最后，仿真实验结果表明：提出的控制器能有效改善车辆在高速急转向时的操纵稳定及侧向稳定性，并有效降低车辆侧倾风险。对于车辆质量增大及质心高度增加引起的高侧倾风险情况，即使控制器面对未知的车辆变化，亦可及时有效地调整车辆姿态防止车辆侧翻，保证行驶安全。关键词：模型预测控制;车辆稳定性控制;防侧倾控制;紧急转向行驶68|143|0<HTML><网络PDF><WORD>更新时间：2025-05-26四旋翼无人机寿命预测和自主维护方法
摘要：针对四旋翼无人机运行过程中执行器退化引起的剩余寿命缩短问题，提出一种基于风险评价函数的模型预测控制自主维护策略。首先，通过深入分析无人机控制机理构建了自主维护体系架构。其次，基于系统失效阈值的定义，得到悬停状态下无人机剩余寿命分布的解析解，并依据风险评价结果自适应修正模型预测权值矩阵Q和R中元素值实现自主维护，从而在无人机性能与寿命之间达到更好的折中平衡。最后，仿真实验结果表明，本文提出的自主维护策略，可使执行器隐含退化的无人机剩余寿命延长616 min，并保持较好的机体性能。关键词：控制理论与控制科学;四旋翼无人机;执行器退化;剩余寿命预测;模型预测控制;在线自主维护450|260|0<HTML><网络PDF><WORD>更新时间：2025-05-26跟随式车辆队列高效协同弦稳定预测控制
摘要：针对前后跟随式通信拓扑的约束车辆队列弦稳定协同控制问题，提出一种分布式参数化模型预测队列控制算法。首先，建立车辆队列的纵向动力学模型，通过反馈线性化将其转化为线性状态空间模型。然后，利用邻域内车辆的预测轨迹信息构造局部优化问题，建立车辆队列局部控制器。为降低求解该局部最优控制问题的计算量，将预测时域内的控制输入增量参数化为阶梯式结构。在此基础上，设计模型预测队列控制器迭代计算算法，满足系统输入输出约束和弦稳定约束条件。进一步，应用Lyapunov稳定性定理和Moore-Penrose广义逆矩阵，获得车辆队列渐近稳定性充分条件，并分析系统跟踪性能。最后，通过与常规队列控制算法的仿真对比实验，验证所提出控制策略的高效性。关键词：控制理论与控制工程;模型预测控制;车辆队列;分布式控制;阶梯式策略;弦稳定性701|172|0<HTML><网络PDF><WORD>更新时间：2025-05-26低附着路况条件下人车共享转向系统稳定控制
摘要：针对冰雪天气车辆更容易失稳的情况，研究了低附着、不对称路面情况下车辆对参考路径的稳定跟踪问题，同时考虑了驾驶员与智能控制器的协同共享，讨论了共享方式和驾驶权分配，以提高车辆在冰雪路面复杂路况下的跟踪精度和转向稳定性，保证驾驶员的驾驶体验。此外，建立了左右轮不对称的适用于冰雪路面的车辆模型，并确定了将冰雪路面下车辆转向稳定性约束作为后续模型预测控制求解的一部分，在人车共享结构下，基于模糊推理权重分配策略设计了共享转向模型预测控制器。Simulink/CarSim联合仿真验证了本文控制系统能有效提高车辆跟踪精度和行驶稳定性。关键词：车辆工程;路径跟踪控制;模型预测控制;共享转向控制;驾驶权重分配508|163|0<HTML><网络PDF><WORD>更新时间：2025-05-26基于车辆执行驱动能力的复杂路况速度规划及控制
摘要：为解决复杂道路环境（大曲率、低附着）下满足安全性和高效性约束的车速规划问题，提出了一种基于车辆动力学解析的微分方程规划方法。首先，推导了在稳态转向时满足侧向轮胎力约束的极限速度结构参数表达式。其次，将前轮和后轮的轮胎力执行空间组合为F-F图，得到考虑载荷转移和驱动方式因素的隐式微分方程，并求解该微分方程得到沿路径的极限速度，同时给出了面向离散路径信息的极限速度计算方法。最后，设计了横、纵向协同模型预测控制器，搭建了CarSim和Simulink联合仿真平台，在连续和离散两种信息路径上以规划的极限速度进行轨迹跟踪仿真实验。结果表明，本文提出的极限速度规划方法能够在尽快完成复杂路面环境下轨迹跟踪任务的同时，将轮胎力控制在稳定摩擦圆范围内。关键词：控制理论与控制工程;极限速度;轨迹跟踪;F-F图;模型预测控制792|186|0<HTML><网络PDF><WORD>更新时间：2025-05-26基于分层控制器的SCR系统滚动时域优化控制方法
摘要：为保证选择性催化还原（SCR）系统的转化效率并减少尿素消耗量，本文基于氨覆盖率设计了一种新颖的分层控制器，上层为模型预测控制（MPC）氨覆盖率优化控制器，实时优化计算得到的氨覆盖率目标值；下层为三步法非线性跟踪控制器，结合类稳态控制、参考前馈控制、变增益反馈控制跟踪参考目标。在仿真环境与原机电子控制单元（ECU）进行对比验证，分层控制器的关键指标均有所提升，氨逃逸下降超过85%，NOx比排放下降27.4%，尿素消耗量降低5%。结果表明，本文提出的优化方法具有较强的应用价值。关键词：自动控制技术;尿素SCR系统;分层控制器;模型预测控制;三步法跟踪控制器55|221|0<HTML><网络PDF><WORD>更新时间：2025-05-26自动驾驶汽车双车道换道最优轨迹规划方法
摘要：针对双车道公路交通场景，提出了自动驾驶汽车换道的决策和轨迹规划方法。首先，设计了基于贝叶斯概率理论的风险评估方法，得到当前场景车道安全性条件概率。然后，设计了基于安全效用的行为决策方法，根据风险评估贝叶斯网络和决策图做出此时的行为决策——车道保持或换道。在轨迹规划层提出了基于非线性模型预测控制（MPC）的轨迹规划方法，模仿优秀驾驶员给定各个优化目标函数的权重系数，求解最优期望换道轨迹。最后，通过仿真验证该决策和轨迹规划方法的有效性，结果表明，在不同风险场景中，所设计的风险评估、行为决策和轨迹规划方法能够使自动驾驶汽车做出安全的行为决策，并规划出最优的换道轨迹坐标和车速，使自动驾驶汽车安全、快速地换道行驶。关键词：自动驾驶汽车;换道风险评估;行为决策;轨迹规划;非线性模型预测控制24|63|0<HTML><网络PDF><WORD>更新时间：2025-05-26基于集合卡尔曼滤波的高机动救援车辆主动悬挂控制方法
摘要：针对高机动救援车辆提出一种主动悬挂系统控制策略——基于集合卡尔曼滤波技术的模型预测控制策略（EnKF-MPC）。首先，对高机动救援车辆主动悬挂系统进行动力学建模，通过集合卡尔曼滤波技术完成车辆动力学系统和车载组合导航系统的数据融合，实现车辆位姿信息的精确估计；针对组合导航系统垂向位移误差较大的问题，设计了点云匹配算法，完成车辆垂向位移信息的精确评估。其次，提出了模型预测控制策略，将集合卡尔曼滤波算法得到的车辆位姿信息和车载雷达系统获取的道路信息作为系统输入对车辆主动悬挂系统进行实时控制。最后，进行了实车验证，结果表明，提出的车辆位姿估计算法垂向位移误差为±3.100 cm，俯仰角误差为±0.175°，侧倾角误差为±0.210°。相比于被动悬挂，提出的主动悬挂控制方法垂向位移均方根平均值降低37%，俯仰角度均方根平均值降低35%，侧倾角度均方根平均值降低35%，显著提升了车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。关键词：公路运输;主动悬挂系统;集合卡尔曼滤波;模型预测控制22|51|0<HTML><网络PDF><WORD>更新时间：2025-05-26面向刚柔耦合定位平台的模型预测控制算法
摘要：针对刚柔耦合定位平台（RFCS）在运动阶段和定位阶段模型不同的特点，提出了一种扩张状态观测器辅助的模型预测控制（ESO-MPC）算法。该算法采用时域离散的差分方程对RFCS的动力学响应进行预测，并且在时域离散时引入了可调参数应对实验模型的不确定因素。通过扩张状态观测器（ESO）获取反馈信息，对RFCS的位置、速度及柔性铰链的弹性力和阻尼力进行实时观测。通过RFCS的25组点位运动实验和负载实验，对比了传统PID、前馈PID、LADRC与ESO-MPC算法的性能。实验结果表明，4种控制方案都能达到±0.1 μm的稳态误差，而ESO-MPC算法的整定时间最短，并且通过负载实验验证了ESO-MPC算法的鲁棒性。关键词：机械电子工程;刚柔耦合定位平台;模型预测控制;扩张状态观测器45|150|0<HTML><网络PDF><WORD>更新时间：2022-12-08低温环境下燃料电池启动优化控制方法
摘要：结合燃料电池冷启动过程中的温度变化和结冰情况，建立了面向控制的三阶燃料电池冷启动模型。针对阴、阳极冰体积分数不可测的问题，提出了基于扩展状态观测器冰体积分数估计方法。在此基础上，针对燃料电池冷启动过程中存在的约束和耦合非线性的特点，提出了基于非线性模型预测控制的燃料电池冷启动系统优化控制方法，实现了提高冷启动系统快速性、降低耗氢量的双优化目标。最后，通过仿真实验验证了本文冷启动优化控制方法的有效性。关键词：控制科学与工程;燃料电池;非线性模型预测控制;冷启动性能优化控制策略220|117|0<HTML><网络PDF><WORD>更新时间：2025-05-26
