Matlab／MPC工具箱在《预测控制》课程教学中的应用.pdf

2014年 2月 教 育教 学论 坛 Feb．2014 第 9期 EDUCATION TEACHING FORUM NO． 9 【教法研究】 Matlab／MPC]~具箱在 预《测控制》课程教学中的应用 赵 敏，江艳霞 (上海理工大学 光电信息与计算机学院控制科学与工程系，上海 200039) 摘要：预《测控制》是大多控制理论与控制工程专业硕士的专业基础课。本文利用Matlab／MPc工具箱图形用户界面 (GUI)的控制器设计与分析功能，通过对 预《测控制》课程中位置伺服对象进行控制器设计与分析，将抽象的理论与仿真 实验相结合，使学生更好地掌握理论知识，培养学生解决实际问题的能力，说明了使用Matl如辅助 预《测控制》课程教学的 有效性。 关键词：预测控制；Matlab；GUI；仿真；go学研究 中图分类号：G642．0 文献标志码：A 文章编号：1674—9324(2014)09—0049—03 一 、 引言 设计和分析的函数。利用这些函数可以方便的设计控制器， 预测控制是上世纪70年代后期产生的一类新型计算机 通过仿真获得系统直观的控制效果，有助于学生对算法的 控制算法，是继PID控制之后在过程控制应用中最广泛、有 理解和学习。这些函数包括 ：系统模型辨识函数，通过多变 效的控制算法。它直接产生于工业过程控制的实际应用，并 量线性回归方法计算脉冲响应模型和阶跃响应模型；模型 在与工业应用的紧密结合中不断完善和成熟，具有良好的 建立和转换函数，建立MPC~E具箱使用的MPC状态空间模 鲁棒性和控制效果。在石油、化工、冶金、机械等行业的过程 型，并完成各模型之间的相互转换；模型预测控制器设计和 控制系统中得到了成功的应用，已成为处理复杂约束多变 仿真工具，分别面向阶跃响应模型和状态空间模型完成控 量控制问题的公认标准lll。预《测控制》是双控专业硕士重要 制器设计和仿真；系统分析工具，计算系统频率响应 、极点 的专业课程之一，该课程是以实际_[业生产过程为背景，以 和奇异值等。除此之外，Matlab／MPC工具箱还有一个基于人 控制理论为基础发展起来的，主要向学生介绍预测控制的 机交互界面的预测控制器设计工具，设计者可以根据菜单 基本算法理论，从而使学生理解过程控制的基本原理和概 提示一步一步的完成控制器设计，之后利用Simulink库中的 念，对培养学生解决实际应用问题的能力有着重要的作用。 预测控制模块进行调用，对复杂的预测控制系统进行仿真。 预测控制属于先进过程控制领域 ，先进过程控制 (APC)是 在Matlab命令窗口中，直接键人mpctool用于启动MPC 对那些不同于常规单回路控制 ，并具有 比常规PID控制更 设计工具，在图形界面的左侧会出现被控对象 (Plan mod— 好的控制效果的控制策略的统称，主要应用于包含大量复 els)、MPC控制器 (Controllers)和仿真器 (Scenarios)三个栏 杂多变量的控制问题回。因此 《预测控制》课程具有理论性 目。随后打开被控对象的模型输入窗口，选择存于Matlab．T． 强、与实际联系紧密，以及涉及面广的特点，对学生理论基 作空间或磁盘中的被控对象模型文件，同时设置被控对象 础和设计能力要求较高，这造成该课程较为抽象难学，采用 输入输出信号的属性，如输入信号类型为控制变量(Manip— 常规的课堂P 授课方法难 以激起学生的学习兴趣 ，不能 ulated)，可测干扰信号 (Meas．disturb．)或不可测干扰信