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第1章 绪论1

1.1 本书的背景和意义1

1.2 模型预测控制的发展历史2

1.2.1 MPC发展的理论基础4

1.2.2 过程控制应用5

1.3 模型预测控制的基本原理及特征6

1.3.1 模型预测控制的基本原理6

1.3.2 模型预测控制的特征7

1.4 非线性模型预测控制的研究现状8

1.4.1 典型的非线性模型预测控制方案9

1.4.2 稳定性与鲁棒性研究12

1.4.3 计算问题15

1.4.4 非线性模型预测控制应用15

1.4.5 将来的研究展望16

1.5 本书的研究内容与结构安排16

参考文献18

第2章 预测控制的数学基础与基本方法26

2.1 线性矩阵不等式26

2.2 Schur补和S过程26

2.2.1 Schur补26

2.2.2 S过程27

2.2.3 矩阵求逆27

2.3 不变集28

2.3.1 不变集基本原理28

2.3.2 控制约束的处理29

2.4 模型预测控制的一般形式30

2.4.1 问题描述30

2.4.2 性能指标的上界30

2.4.3 离散线性系统的预测控制算法31

2.4.4 控制约束33

2.4.5 预测控制算法的改进34

2.4.6 稳定性分析35

2.5 鲁棒预测控制37

2.6 本章小结39

参考文献39

第3章 时滞系统的鲁棒预测控制41

3.1 引言41

3.2 终端椭圆集约束的时滞系统预测控制42

3.2.1 时滞系统的不变椭圆集42

3.2.2 终端椭圆集约束的预测控制45

3.2.3 带有混合约束的时滞系统预测控制48

3.2.4 仿真研究50

3.3 范数有界时滞系统的鲁棒预测控制51

3.3.1 系统描述51

3.3.2 主要结果52

3.3.3 讨论58

3.3.4 仿真研究58

3.4 多胞型不确定时滞系统的鲁棒模型预测控制60

3.4.1 系统描述60

3.4.2 主要结果61

3.5 多胞型时滞系统的准Min-Max鲁棒预测控制65

3.5.1 问题描述65

3.5.2 仿真研究69

3.6 本章小结74

参考文献74

第4章 切换系统的鲁棒预测控制76

4.1 引言76

4.2 模型描述77

4.3 参数摄动切换系统预测控制78

4.3.1 问题1的解决78

4.3.2 问题2的解决81

4.3.3 问题3的解决81

4.3.4 椭圆集的线性切换系统的鲁棒控制82

4.3.5 仿真结果182

4.3.6 仿真结果283

4.4 时滞切换系统模型预测控制85

4.4.1 问题描述86

4.4.2 椭圆集与输入约束的时滞切换系统MPC算法87

4.4.3 仿真研究92

4.5 本章小结93

参考文献93

第5章 分段仿射系统的鲁棒预测控制95

5.1 切换系统的推广——分段仿射系统95

5.2 分段仿射模型的建立96

5.3 分段仿射系统研究的热点问题97

5.4 分段仿射系统的应用98

5.5 分段仿射系统的平衡点与区域划分100

5.5.1 分段仿射系统的平衡点100

5.5.2 分段仿射系统的区域划分100

5.5.3 区域划分的椭圆集表示101

5.5.4 平衡点与椭圆集的坐标变换102

5.6 分段仿射系统的预测控制102

5.6.1 问题描述102

5.6.2 性能指标的上界103

5.6.3 终止区域划分的椭圆集描述104

5.6.4 分段仿射系统的预测控制算法105

5.6.5 控制约束111

5.6.6 分段仿射系统的预测控制算法改进112

5.6.7 稳定性分析114

5.7 多胞不确定PWA系统的预测控制116

5.7.1 系统描述116

5.7.2 性能指标优化问题118

5.7.3 控制约束问题122

5.7.4 稳定性分析123

5.7.5 仿真研究125

5.8 本章小结127

参考文献127

第6章 非线性系统的鲁棒模糊预测控制131

6.1 引言131

6.2 预备知识131

6.2.1 T-S模糊模型132

6.2.2 模糊调节器133

6.3 基于模糊调节器的鲁棒非线性模型预测控制134

6.3.1 鲁棒模型预测控制问题描述134

6.3.2 无约束系统鲁棒模型预测控制135

6.3.3 约束系统鲁棒模型预测控制136

6.3.4 滚动实现的可行性139

6.3.5 闭环系统鲁棒稳定性139

6.3.6 讨论140

6.4 一种基于模糊模型的准鲁棒模型预测控制方法141

6.4.1 问题描述141

6.4.2 准鲁棒模型预测控制141

6.4.3 滚动实现的可行性144

6.4.4 闭环系统鲁棒稳定性145

6.4.5 讨论146

6.4.6 仿真研究146

6.5 不确定模糊系统鲁棒模型预测控制148

6.5.1 系统描述148

6.5.2 模糊不确定系统非线性镇定149

6.5.3 并行分布补偿控制律152

6.6 基于状态反馈的鲁棒模型预测控制153

6.6.1 鲁棒性能指标上界153

6.6.2 稳定性约束153

6.6.3 极小化问题155

6.6.4 输入约束155

6.6.5 输出约束155

6.6.6 约束系统鲁棒模型预测控制157

6.6.7 滚动实现的可行性与鲁棒性157

6.7 基于并行分布补偿控制器的鲁棒模型预测控制159

6.7.1 无约束鲁棒MPC159

6.7.2 约束鲁棒MPC160

6.7.3 仿真研究162

6.8 基于T-S模型的非线性时滞系统预测控制163

6.8.1 系统描述163

6.8.2 主要结果165

6.8.3 仿真研究171

6.9 本章小结173

参考文献173

第7章 非完整约束系统的预测控制研究174

7.1 基本概念与问题174

7.1.1 非完整系统定义174

7.1.2 移动机器人的非完整约束174

7.2 移动机器人的建模176

7.2.1 笛卡儿坐标系下的机器人运动学模型176

7.2.2 笛卡儿坐标系下的机器人动力学模型179

7.3 微分几何工具181

7.4 移动机器人的可控性与可镇定性185

7.5 机器人模型的问题描述及跟踪控制器设计186

7.5.1 针对模型的问题描述186

7.5.2 跟踪控制器的设计190

7.5.3 仿真191

7.6 欠驱动无人艇的预测控制算法193

7.6.1 无人艇的欠驱动控制193

7.6.2 问题描述194

7.6.3 控制器设计196

7.6.4 仿真结果201

7.7 本章小结203

参考文献203

第8章 高超声速飞行器的再入预测控制205

8.1 引言205

8.2 高超声速飞行器的再入非线性模型207

8.3 基于SDRE的再入控制器设计209

8.3.1 基于奇异摄动理论的再入SDRE控制器209

8.3.2 仿真研究211

8.4 基于SDRE的再入约束预测控制213

8.4.1 再入飞行器的外环预测控制213

8.4.2 再入飞行器的内环预测控制216

8.4.3 仿真研究217

8.5 控制受限的再入鲁棒预测控制218

8.5.1 基于参考模型的外环设计218

8.5.2 基于预测控制的内环设计219

8.5.3 仿真研究223

8.6 本章小结225

参考文献225

第9章 水面艇自主航迹跟踪过程中的预测控制227

9.1 引言227

9.2 水面无人艇航迹跟踪控制系统建模228

9.3 坐标系的建立228

9.4 船舶的运动方程和水动力分析229

9.4.1 船舶的运动方程229

9.4.2 船舶水动力分析230

9.5 舵机模型231

9.6 水面船舶航迹跟踪控制模型231

9.7 水面无人艇航迹跟踪预测控制235

9.8 拉格朗日乘子法处理输入约束237

9.9 仿真研究239

9.9.1 不同预测时域的控制器仿真239

9.9.2 不同加权矩阵的控制器仿真241

9.10 基于干扰观测器的水面无人艇航迹跟踪预测控制242

9.10.1 干扰观测器的设计243

9.10.2 基于干扰观测器的模型预测控制器设计245

9.10.3 基于干扰观测器的模型预测控制器稳定性分析247

9.10.4 仿真研究248

9.11 模型预测控制在自航模航迹跟踪上的应用252

9.11.1 自航模系统的整体结构252

9.11.2 自航模系统硬件设计253

9.11.3 自航模系统软件设计254

9.11.4 自航模航迹跟踪控制实验255

9.12 自航模航迹跟踪控制实验结果257

9.12.1 无扰动自航模航迹跟踪257

9.12.2 有扰动自航模航迹跟踪258

9.13 本章小结260

参考文献260