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

📄 arXiv: 2509.05463v2 📥 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 (更新: 2026-01-16)

💡 一句话要点

提出一种全模拟模型预测控制实现方法，应用于Buck变换器。

🎯 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 DC-DC变换器 显式MPC 嵌入式系统

📋 核心要点

  1. 传统MPC计算复杂度高，难以在资源受限的嵌入式系统中实时实现，尤其是在全模拟电路中。
  2. 该论文提出一种基于简化显式MPC形式的全模拟电路实现方法，降低了计算复杂度，并利用低延迟商用组件实现。
  3. 通过在DC-DC Buck变换器上的应用，验证了该方法的实际可行性，并通过数值模拟证明了其抗扰动性能。

📝 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动态系统的模型预测控制（MPC）策略。通过结合有效的降复杂度的显式MPC形式，并将其应用于包含有限数量的低延迟商用组件的模拟电路的实现。通过将其应用于基于MPC的新型DC-DC Buck变换器控制器的设计，证明了所提出方法的实际可行性和有效性。我们正式分析了所得系统的稳定性，并进行了广泛的数值模拟，以证明控制系统在抑制线路和负载扰动方面的性能。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决模型预测控制（MPC）在动态系统中的实时实现问题，尤其是在资源受限的模拟电路中。传统的数字MPC实现需要复杂的计算单元，功耗高，难以满足一些对响应速度和功耗有严格要求的应用场景。现有模拟电路实现MPC的方法，复杂度高，难以工程实现。

核心思路：论文的核心思路是将复杂的MPC问题转化为一个可以在模拟电路中高效实现的简化形式。通过采用降复杂度的显式MPC形式，将在线优化问题转化为一个分段仿射函数，从而可以使用简单的模拟电路元件（如运算放大器、电阻、电容等）来实现控制策略。

技术框架：该方法主要包含以下几个阶段：1) 针对仿射动态系统建立模型；2) 设计MPC控制器，包括定义成本函数、约束条件等；3) 将MPC问题转化为显式MPC形式，降低计算复杂度；4) 将显式MPC形式映射到模拟电路，选择合适的电路拓扑和元件参数；5) 进行电路仿真和验证，评估控制性能。

关键创新：该论文的关键创新在于提出了一种将显式MPC与全模拟电路相结合的实现方法。与传统的数字MPC实现相比，该方法具有更低的延迟和功耗。与现有的模拟电路实现方法相比，该方法具有更低的复杂度，更易于工程实现。

关键设计：论文中关键的设计包括：1) 显式MPC形式的选择，需要权衡计算复杂度和控制性能；2) 模拟电路拓扑的选择，需要考虑元件的非理想特性和噪声影响；3) 电路元件参数的优化，需要保证控制系统的稳定性和鲁棒性。此外，论文还对Buck变换器的模型进行了简化，以便于MPC控制器的设计。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

论文通过数值模拟验证了所提出的全模拟MPC控制器在DC-DC Buck变换器上的性能。结果表明，该控制器能够有效地抑制线路和负载扰动，实现稳定的电压输出。虽然论文中没有提供具体的性能数据，但强调了该方法在降低延迟和功耗方面的优势，使其在一些特定应用场景中具有竞争力。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于对功耗和响应速度有严格要求的嵌入式系统，例如便携式电子设备、无线传感器网络、可穿戴设备等。特别是在DC-DC电源管理领域，该方法可以实现更高效、更快速的电压调节，提高电源系统的性能和可靠性。未来，该方法有望推广到其他类型的动态系统控制中，例如电机控制、机器人控制等。

📄 摘要（原文）

This paper proposes a novel approach to design analog electronic circuits that implement Model Predictive Control (MPC) policies for dynamical systems described by affine models. Effective approaches to define a reduced-complexity Explicit MPC form are combined and applied to realize an analog circuit comprising a limited set of low-latency, commercially available components. The practical feasibility and effectiveness of the proposed approach are demonstrated through its application in the design of a novel MPC-based controller for DC-DC Buck converters. We formally analyze the stability of the resulting system and conduct extensive numerical simulations to demonstrate the control system's performance in rejecting line and load disturbances.