基于MATLAB的显式模型预测控制（eMPC）仿真平台

资 源 简 介

本项目实现了显式模型预测控制的离线计算和在线查表机制，将复杂优化问题转化为分区状态空间的快速查询，有效降低实时计算负担。提供完整的MATLAB仿真环境，适用于线性系统的高效控制设计。

详 情 说 明

显式模型预测控制系统（Explicit MPC）设计与仿真平台

项目介绍

本项目实现了一套显式模型预测控制（Explicit MPC, eMPC）算法的设计与仿真平台。传统MPC需要在每个采样周期在线求解优化问题，计算负担重。eMPC通过多参数规划将在线优化问题转化为离线计算，预先构建状态空间的分区及对应的分段仿射控制律。在线运行时仅需根据当前状态查表即可获得最优控制输入，极大降低了实时计算需求，特别适用于嵌入式系统等计算资源受限的场景。

功能特性

• 离线显式控制律计算：基于多参数规划技术，将带约束的有限时域最优控制问题转化为分段仿射控制律。
• 状态空间分区：自动将状态空间划分为多个多面体区域，每个区域对应一个线性控制律。
• 在线快速查表：在线控制阶段，通过判断当前状态所属分区，快速计算最优控制输入。
• 闭环仿真与性能分析：支持系统闭环动态仿真，并提供调节时间、超调量等性能指标评估。
• 可视化展示：可绘制显式控制律的分区图以及系统状态和输入的轨迹。

使用方法

1. 定义系统模型：提供线性离散时间系统的状态空间矩阵（A, B, C, D）。
2. 设置约束与目标：配置状态变量和输入变量的约束上下限，以及优化目标中的权重矩阵（Q, R, N）。
3. 指定预测时域：设定预测时域（Np）和控制时域（Nc）的长度。
4. 离线计算控制律：运行程序进行离线计算，生成显式控制律分区及对应的仿射控制律。
5. 在线仿真测试：给定初始状态，进行闭环控制仿真，观察系统动态响应与性能。

系统要求

• 操作系统：Windows / Linux / macOS
• 软件环境：MATLAB （建议 R2018b 或更高版本）
• 必要工具箱：Control System Toolbox, Optimization Toolbox (用于求解多参数规划问题)

文件说明

项目的主入口文件完成了整个eMPC设计与仿真的核心流程。它首先读取用户定义的系统模型参数、约束条件及优化权重，随后调用多参数规划算法进行离线计算，构建出状态空间的分区结构及各分区对应的最优控制律表达式。在在线仿真阶段，该文件依据当前系统状态自动查找所属分区并应用相应的控制律，计算实时控制输入，同时进行系统状态演进的预测与记录。最后，它负责执行闭环系统的动态仿真，并输出关键的性能指标以评估控制效果。