A Fully Analog Implementation of Model Predictive Control with Application to Buck Converters

📄 arXiv: 2509.05463v1 📥 PDF

作者: Simone Pirrera, Lorenzo Calogero, Francesco Gabriele, Diego Regruto, Alessandro Rizzo, Gianluca Setti

分类: eess.SY

发布日期: 2025-09-05

💡 一句话要点

提出一种全模拟模型预测控制方法，应用于Buck变换器控制

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 模型预测控制 模拟电路 Buck变换器 电力电子 显式MPC

📋 核心要点

  1. 传统数字MPC控制在高速应用中存在延迟瓶颈，限制了其性能。
  2. 论文提出全模拟MPC实现方案，利用低延迟模拟电路实现快速控制。
  3. 实验表明，该方法在Buck变换器负载扰动抑制方面优于标准方法。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种设计模拟电子电路的新方法，该电路实现了针对仿射模型描述的对象的模型预测控制（MPC）策略。结合最先进的方法来定义降低复杂度的显式MPC（EMPC），从而实现一种模拟电路，其特点是使用少量低延迟且市售的组件。通过将其应用于DC-DC Buck变换器的高级控制器设计中，证明了所提出方法的实际可行性和有效性。我们正式分析了所获得系统的稳定性，并进行了广泛的数值模拟，以证明它能够实现出色的负载扰动抑制性能，优于标准方法。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决DC-DC Buck变换器等电力电子系统中，传统数字模型预测控制（MPC）由于采样和计算延迟而导致的性能瓶颈问题。尤其是在需要快速响应的负载扰动抑制应用中，数字控制器的延迟会显著降低控制效果。现有方法难以在保证控制精度的同时，实现快速的动态响应。

核心思路：论文的核心思路是利用模拟电路直接实现显式模型预测控制（EMPC）的控制律。通过将EMPC的控制策略转化为模拟电路的结构，避免了数字控制器的采样、量化和计算延迟，从而实现更快的控制响应。这种方法充分利用了模拟电路的低延迟特性，提升了控制系统的动态性能。

技术框架：该方法的技术框架主要包括以下几个步骤：1) 对Buck变换器建立仿射模型；2) 设计显式模型预测控制器（EMPC），将控制律表示为分段仿射函数；3) 将分段仿射函数映射到模拟电路，利用运算放大器、电阻、电容等元件实现控制律；4) 分析模拟电路的稳定性和性能；5) 通过数值仿真验证控制器的性能。

关键创新：该论文最重要的技术创新点在于将显式模型预测控制（EMPC）策略完全通过模拟电路实现。与传统的数字MPC相比，这种方法消除了采样和计算延迟，显著提高了控制系统的响应速度。此外，该方法还利用了最先进的EMPC简化技术，降低了模拟电路的复杂性，使其可以使用少量商用元件实现。

关键设计：关键设计包括：1) EMPC控制器的设计，需要选择合适的预测步长、控制权重等参数，以保证控制性能和稳定性；2) 模拟电路的实现，需要选择合适的运算放大器、电阻、电容等元件，以保证电路的精度和稳定性；3) 电路参数的优化，需要通过仿真和实验调整电路参数，以实现最佳的控制性能。

📊 实验亮点

论文通过数值仿真验证了所提出的全模拟MPC控制器在DC-DC Buck变换器中的性能。仿真结果表明，该控制器能够实现出色的负载扰动抑制性能，优于标准方法。具体的性能数据包括更快的响应速度、更小的超调量和更短的稳定时间。这些结果证明了全模拟MPC在快速控制应用中的优势。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于对响应速度要求高的电力电子系统，如DC-DC变换器、逆变器等。在需要快速负载扰动抑制的场景下，例如服务器电源、电动汽车充电桩等，全模拟MPC控制器能够提供更优的控制性能，提高系统的稳定性和效率。未来，该方法有望推广到其他类型的控制系统，例如机器人控制、过程控制等。

📄 摘要（原文）

This paper proposes a novel approach to design analog electronic circuits that implement Model Predictive Control (MPC) policies for plants described by affine models. The combination of state-of-the-art approaches to define reduced-complexity Explicit MPC (EMPC) is employed to realize an analog circuit characterized by a limited amount of low-latency and commercially available components. The practical feasibility and effectiveness of the proposed approach are demonstrated through its application in the design of an advanced controller for DC-DC Buck converters. We formally analyze the stability of the obtained system and conduct extensive numerical simulations to demonstrate that it is capable of achieving outstanding load disturbance rejection performance, outclassing standard approaches.