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计算机控制大作业.docxVIP

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计算机控制大作业

MPC-PID串级调节MATLAB仿真

模型建立

使用老师提供的模型以及相关传递函数,同时在MPCTOOL中进行简单的配置和参数设定。

控制器设计的参数中,将响应时间设置到最快。

仅MPC控制

首先,排除扰动等因素,让系统仅在MPC控制作用下进行工作。SIMULINK仿真图如下:

输入采用阶跃信号,信号幅值为1.

从图中我们可以看到,超调量?70%,经历了大约100个控制周期后,系统任然没有进入比拟稳定的状态。

MPC-PID串级控制

SIMULINK框图如下,在原来的系统结构下,内环参加了PID控制器。形成一个串级控制系统。

由于观察MPC控制输出,系统在阶跃响应下并没有出现稳态误差,而PID控制器的作用是起到快速调节,因此内环实际使用了PD调节器,将积分参数置零。

在SIMULINK的PID模块下可以方便设置PID参数。

在设置了几组PD调节器参数之后,系统输出到达上图效果。可以看到,超调量大约为15%,在15个控制周期后,系统根本进入稳定状态,并且没有静态误差。比照直接使用DMC控制,DMC-PID串级调节器的效果十分显著。

有扰动的MPC控制

尝试在系统中参加扰动环节,测试控制器的响应能力。在外环中设置一个阶跃信号,将其视为系统干扰。SIMULINK控制框图如下:

让扰动的阶跃信号在第15拍进入系统,幅值为-0.3.

系统输出响应如下列图:

可以明显看到阶跃干扰对系统输出的影响,但是各项指标根本上和无扰动情况相仿。

有扰动的MPC-PID控制

同样,在扰动环节依然存在的情况下,参加内环的PID控制器。

系统输出如下:

可以看到,在第15拍的时候,系统已经根本进入稳定。当扰动发生时,调节器可以迅速反响,在10拍之内又将系统输出稳定到设定值。

结论

模型预测控制〔MPC〕可以应用于大时间常数,滞后环节的系统,通过实验,我们可以看到,MPC可有有效控制系统输出到达需要的设定值。但是MPC的调节速度较慢,从实验中也可以看出,需要较多的拍数才能到达稳定的状态。同时MPC需要知道系统的模型,虽然可以通过不断反响矫正获得较为好的系统模型,但是依然对模型有所依赖。

PID调节器特点是不需要模型的建立,直接控制输入与输出的关系,同时可以起到快速调节的作用。

MPC-PID串级调节有效结合了两者的优点。通过MPC计算,给PID调节器提供设定值。由PID控制器来快速将系统输出调整到MPC给予的设定值。我们可以将MPC视为一种优化,而PID那么迅速调整到优化的设定值,从而使整体输出到达要求。

从实验结果来看,MPC-PID串级调整系统的控制效果远胜于单独使用MPC控制的效果。超调量更下,调整时间更短。对于扰动的抑制也有非常好的效果。

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