基于MATLAB的非线性模型预测控制系统设计与仿真平台

资 源 简 介

该项目在MATLAB环境下开发，实现了非线性模型预测控制（NMPC）系统的完整设计、优化与仿真。能够在线求解多变量非线性过程的最优控制策略，支持滚动优化和实时约束处理，适用于复杂动态系统的控制应用。

详 情 说 明

非线性模型预测控制系统设计与仿真平台

项目介绍

本项目开发了一个完整的非线性模型预测控制（NMPC）系统，专门用于多变量非线性动态过程的实时优化控制。系统能够基于给定的非线性模型、约束条件和优化目标，在线求解未来控制序列，并实现滚动时域控制。可广泛应用于化工过程、机器人轨迹跟踪、能源管理等复杂系统的控制设计与仿真分析。

功能特性

• 非线性系统建模：支持非线性状态空间方程或微分方程形式的数学模型定义
• 预测轨迹计算：基于当前状态和控制策略，精确预测系统未来动态行为
• 约束优化求解：采用序列二次规划（SQP）算法处理状态约束、控制输入约束和终端约束
• 滚动时域控制：实现实时轨迹预测与闭环优化控制
• 性能分析：提供目标函数值、收敛状态、计算时间等性能指标评估

使用方法

输入参数配置

1. 系统模型：通过函数句柄或Simulink模块定义非线性动态方程
2. 初始状态：设置系统的当前初始状态值（n×1 数组）
3. 参考轨迹：定义期望的系统输出或状态目标轨迹（m×N 数组）
4. 约束条件：配置状态约束、控制输入约束、终端约束的上下限
5. 优化参数：设定预测时域长度、控制时域长度及权重矩阵（Q、R）

输出结果

• 未来时域内的最优控制序列（p×N 数组）
• 基于当前控制策略的状态预测轨迹（n×N 数组）
• 当前时刻的最优实时控制量（p×1 向量）
• 优化过程的性能指标与收敛状态分析
• 闭环系统的完整仿真结果与响应曲线

系统要求

• MATLAB R2018b 或更高版本
• Optimization Toolbox（用于SQP算法求解）
• Control System Toolbox（可选，用于系统分析）
• Simulink（可选，用于模型定义与仿真）

文件说明

main.m文件作为项目的核心入口与控制器，实现了非线性模型预测控制系统的完整工作流程。其主要功能包括：系统模型与约束条件的初始化配置、滚动时域优化控制的在线求解、预测轨迹的实时计算与更新、闭环控制仿真的执行管理，以及仿真结果与性能指标的综合输出分析。该文件通过整合各功能模块，确保了NMPC算法在多变量非线性系统中的有效实施与验证。