状态预测轨迹的递推表达

一、状态预测问题

1.1 问题描述

在 MPC 中,需要基于当前状态 和未来控制序列 预测未来状态轨迹:

1.2 系统模型

离散时间 LTI 系统:


二、递推公式推导

2.1 一步预测

其中 是当前测量状态。

2.2 两步预测

2.3 三步预测

2.4 一般公式

第 步预测状态的显式表达:


三、矩阵形式表达

3.1 预测轨迹向量

定义预测状态序列向量:

3.2 控制序列向量

定义控制输入序列向量:

3.3 状态预测矩阵方程

预测轨迹可表示为:

其中:


四、线性映射关系

4.1 控制序列到状态轨迹

预测状态轨迹是控制序列的线性函数:

4.2 含义

  • :自由响应(无控制输入时的自然演化)
  • :强制响应(控制输入驱动的状态变化)

4.3 在 MPC 中的应用

这个线性映射关系是将 MPC 问题转化为标准 QP 形式的关键:

其中 Hessian 矩阵 和线性项 依赖于 。


五、示例

5.1 二阶系统

考虑二阶系统 ,预测时域 。

计算预测矩阵:


六、数值计算注意事项

6.1 矩阵幂的计算

计算 时:

  • 小 :直接矩阵乘法
  • 大 :使用特征值分解

6.2 数值稳定性

当 的特征值接近或超过单位圆时:

  • 可能数值爆炸
  • 建议使用递推计算而非显式矩阵幂

6.3 稀疏性利用

矩阵是下三角分块结构:

  • 可利用稀疏性加速计算
  • 对于大型系统尤为重要

七、总结

概念公式
一步预测$x_{1
i 步预测$x_{i
矩阵形式
自由响应
强制响应

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日期内容
2026-04-09初始版本