与传统的控制方法相比,预测控制最突出的特点是滚动优化机制及其对约束的处理能力。这些优点使得预测控制在工业实际中得到了广泛的应用。目前关于预测控制系统的理论分析文献很多,主要围绕着稳定性、最优性和鲁棒性等研究展开,较少对其滚动优化的特性、处理约束的能力及自适应的机理进行挖掘,而且缺少相应的闭环系统性能的定量分析。性能极限作为定量研究系统性能与系统本质特性之间关系的一种方法,在反馈控制中得到了较好的发展。本论文借鉴其基本思想,立足于“预测控制根源于有限时域最优控制,采用独特的滚动优化的作用方式”这一科学事实,尝试从解析或定量研究的角度对预测控制系统的性能极限问题展开分析。通过挖掘预测控制与最优控制的本源性异同,初步探索滚动优化机制的本质特性并探究其对动态系统性能产生的影响;对于存在输入饱和的系统,分析滚动优化机制所特有的自适应性质和信息利用方式对系统性能的影响及提升作用;探讨基于性能极限分析的预测控制器设计方法。本文的主要内容包括:1)针对线性无约束预测控制系统,基于有限时域最优控制及滚动时域优化问题的描述,探寻Riccati差分方程新的收敛特性,分析了该类系统的性能极限。通过将两个有限时间内的最优控制器和预测控制器的性能作比较,把二者性能比的上下界解析量化表示出来,并将结果推广到预测控制系统的无穷时间性能的情况,为基于最优性的控制器设计提供了指导。2)针对一类终端零约束预测控制系统,通过探索最小能量控制问题下代数Riccati方程的性质,研究Kleinman控制器与最小能量控制器之间的关系,分析了一类终端零约束预测控制系统的性能极限,得到了预测控制系统性能与最小能量控制性能之间比值的上界,最后讨论了基于最优性的控制器设计问题。3)针对带有输入饱和的预测控制系统,利用二次规划的几何理论,分析了该类系统的性能极限。通过将预测控制系统性能与输入饱和控制系统的性能作比较,得到了二者比值的上下界的解析量化表达形式。从性能角度更直观地体现了预测控制在特定约束环境下的能力及优势。4)针对非线性约束预测控制系统,基于动态规划方法统一描述,通过挖掘值迭代方法的收敛性,分析了该类系统的性能极限,得到了无穷时间的预测控制系统性能与有限(无穷)时域最优性能之间的量化关系。