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模型预测控制（MPC）算法介绍

news 2025/8/3 1:03:41

模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）是一种先进的控制策略，广泛应用于工业过程控制、机器人控制、电力系统等领域。它基于系统的模型，通过滚动优化来预测系统未来的行为，并据此确定当前的最优控制输入。以下是对模型预测控制算法的详细解释：

1. 模型预测控制的基本原理

MPC算法的核心思想是利用系统的数学模型预测未来一段时间内系统的输出，通过求解一个有限时域的优化问题来确定当前时刻的最优控制输入，然后将该控制输入的第一个值应用于系统，在下一个采样时刻重复上述过程，不断滚动优化。其基本步骤如下：

模型预测：利用系统的数学模型预测未来 (N) 个时刻（预测时域）的系统输出。模型可以是线性模型（如线性状态空间模型）或非线性模型（如神经网络模型），取决于系统的特性。
滚动优化：在每个采样时刻，求解一个有限时域的优化问题，目标是最小化预测输出与期望输出之间的误差，同时满足系统的各种约束条件，如输入约束、输出约束等。优化问题通常是一个带约束的非线性规划问题（NLP）或二次规划问题（QP），具体取决于目标函数和约束条件的形式。
反馈校正：将实际测量的系统输出与预测输出进行比较，得到预测误差。根据预测误差对模型进行校正，以提高预测的准确性。这一步骤使得MPC具有很强的鲁棒性，能够适应系统参数的变化和外部干扰。

2. 模型预测控制的关键要素

系统模型：系统模型是MPC的基础，它描述了系统的动态特性。常见的系统模型包括线性状态空间模型、传递函数模型、神经网络模型等。对于线性系统，通常采用线性状态空间模型：
[\begin{cases}
\mathbf{x}_{k + 1} = \mathbf{A}\mathbf{x}_k + \mathbf{B}\mathbf{u}_k + \mathbf{w}_k \
\mathbf{y}_k = \mathbf{C}\mathbf{x}_k + \mathbf{v}_k
\end{cases}]
其中，(\mathbf{x}_k) 是系统的状态向量，(\mathbf{u}_k) 是控制输入向量，(\mathbf{y}_k) 是系统的输出向量，(\mathbf{A})、(\mathbf{B})、(\mathbf{C}) 是系统矩阵，(\mathbf{w}_k) 和 (\mathbf{v}_k) 分别是过程噪声和测量噪声。
预测时域（Prediction Horizon）：预测时域 (N) 是指预测未来系统输出的时间长度。较长的预测时域可以考虑系统的长期行为，但计算量较大；较短的预测时域计算量较小，但可能无法充分考虑系统的动态特性。预测时域的选择需要根据系统的响应速度和控制要求进行权衡。
控制时域（Control Horizon）：控制时域 (M) 是指在优化问题中确定的控制输入的时间长度。通常 (M \leq N)。在每个采样时刻，只将控制时域内的第一个控制输入值应用于系统，然后在下一个采样时刻重新求解优化问题。
目标函数：目标函数定义了优化的目标，通常是最小化预测输出与期望输出之间的误差。常见的目标函数形式是二次型函数：
[J = \sum_{k = 1}^{N} (\mathbf{y}{k|k} - \mathbf{y}{ref,k})^T \mathbf{Q} (\mathbf{y}{k|k} - \mathbf{y}{ref,k}) + \sum_{k = 1}^{M} \mathbf{u}{k|k}^T \mathbf{R} \mathbf{u}{k|k}]
其中，(\mathbf{y}{k|k}) 是基于当前时刻信息预测的 (k) 时刻的系统输出，(\mathbf{y}{ref,k}) 是 (k) 时刻的期望输出，(\mathbf{Q}) 和 (\mathbf{R}) 是权重矩阵，分别用于调整输出误差和控制输入的权重。
约束条件：约束条件是MPC算法的重要组成部分，它反映了系统的物理限制和运行要求。常见的约束条件包括：
- 输入约束：限制控制输入的取值范围，如 (\mathbf{u}_{min} \leq \mathbf{u}k \leq \mathbf{u}{max})。
- 输出约束：限制系统输出的取值范围，如 (\mathbf{y}_{min} \leq \mathbf{y}k \leq \mathbf{y}{max})。
- 状态约束：限制系统状态的取值范围，如 (\mathbf{x}_{min} \leq \mathbf{x}k \leq \mathbf{x}{max})。

3. 模型预测控制在代码中的应用

在给定的代码中，虽然没有完整展示MPC的优化求解部分，但围绕MPC构建了一系列关键要素：

系统模型相关：通过定义状态变量（x）和决策变量（u）来描述系统的状态和控制输入。状态变量包含电池荷电状态（SOC）和光伏功率预测值等，决策变量包括从电网购买和出售的功率、微电网间的功率交换、电池的充放电功率等。这些变量的定义是基于系统的物理特性和运行原理，为建立系统模型提供了基础。
预测时域相关：代码中定义了预测时域（N）和时间步长（Ts），虽然没有直接体现预测过程，但为后续基于预测时域进行优化计算提供了参数基础。
约束条件：代码详细定义了各种约束条件，包括与电网交互的功率约束、微电网间功率交换约束、电池充放电约束、荷电状态（SOC）约束以及功率平衡约束等。这些约束条件是MPC优化问题的重要组成部分，确保系统在安全、合理的范围内运行。例如，从电网购买功率的约束：
[0 \leq PGbuy_i \leq PGbuymax \times Bsb(j, i)]
电池充电功率约束：
[0 \leq PES_Ch_i \leq Peschmax \times BES(j, i)]