Обзор

Многие нефтехимические процессы включают в себя пропускную способность, чтобы изолировать операции ниже по течению от сбоев в потоках выше по течению. В этом примере рассматривается жидкостный уравнительный резервуар, подаваемый двумя насосами.

Также имеется непрерывно регулируемый клапан, который регулирует выпуск из резервуара, чтобы приспособить процесс после него.

mdl = 'ReservoirMPC';
open_system(mdl)

Задача управления состоит в том, чтобы использовать два насоса (регулируемые переменные) для поддержания объема резервуара на его уставке, когда выпускной клапан вводит возмущение в уравнительный резервуар (измеренное возмущение).

Когда потребность ниже по потоку постоянна, насос 1 контролирует уровень в резервуаре для перенапряжения, в идеале поддерживая его на уровне около 50%. При возникновении возмущения оба насоса могут действовать для поддержания объема резервуара между 25% и 75% в течение переходного периода. Однако, когда потребность ниже по потоку высока, насос 2 должен включиться.

Таким образом, контроллер MPC управляет двумя насосами таким образом, что:

Получение линейной установки из модели нелинейного уравнительного резервуара

В модели Simulink модель уравнительного резервуара находится в подсистеме «Резервуар». Он реализует следующие уравнения.

Установка работает в номинальной установившейся рабочей точке: насос 1 работает со скоростью 70 л/мин, насос 2 выключен, нагнетательный клапан 35%, объем бака 50%. Создайте линейную модель резервуара в этой рабочей точке. Эта модель имеет три входных сигнала: Q1 и Q2 являются управляемыми переменными и X - измеренное возмущение.

plant = ss(-0.7,[1 1 -2],1,[0 0 0]);
plant = setmpcsignals(plant,'MV',[1 2],'MD',3);

Проектирование контроллера ПДК с непрерывным и дискретным управлением

Создайте линейный контроллер MPC с временем выборки одну секунду и горизонтами прогнозирования и управления по умолчанию.

Ts = 1;
MPCobj = mpc(plant,Ts);

-->The "PredictionHorizon" property of "mpc" object is empty. Trying PredictionHorizon = 10.
-->The "ControlHorizon" property of the "mpc" object is empty. Assuming 2.
-->The "Weights.ManipulatedVariables" property of "mpc" object is empty. Assuming default 0.00000.
-->The "Weights.ManipulatedVariablesRate" property of "mpc" object is empty. Assuming default 0.10000.
-->The "Weights.OutputVariables" property of "mpc" object is empty. Assuming default 1.00000.

Установите номинальные значения контроллера в соответствии с рабочей точкой установившегося режима.

MPCobj.Model.Nominal.U = [70; 0; 35];
MPCobj.Model.Nominal.Y = 50;
MPCobj.Model.Nominal.X = 50;
MPCobj.Model.Nominal.DX = 0;

Выберите весовые коэффициенты MVRate так, чтобы контроллер регулировал насос 1 по сравнению с насосом 2. В других случаях контроллер штрафует насос 1 за движение, меньшее, чем насос 2.

MPCobj.Weights.MVrate = [0.1 0.2];

Укажите границы безопасности для непрерывных входных и выходных и выходных сигналов.

MPCobj.OV.Min = 0;
MPCobj.OV.Max = 100;
MPCobj.MV(1).Min = 0;
MPCobj.MV(1).Max = 100;
MPCobj.MV(1).RateMin = -50;
MPCobj.MV(1).RateMax = 50;

Так как насос 2 имеет две дискретные настройки (0 и 100 л/мин), укажите дискретный набор в Type свойства контроллера. В зависимости от приложения, Type свойство также может быть «binary» или «integer».

MPCobj.MV(2).Type = [0 100];

Моделирование реакции по замкнутому контуру с нарушением разрядки

Моделирование начинается в номинальном состоянии. При t = 5 скорость нагнетания увеличивается до полной производительности насоса 1 и насос 2 должен включиться. Насос 2 включается при t = 12. Насос 1 должен затем уменьшаться как можно быстрее, чтобы поддерживать уровень в пределах, а затем устанавливать новую рабочую точку установившегося режима. При t = 60 разряд начинает снижаться до номинального состояния. Контроллер MPC поддерживает объем в идеальном диапазоне, и насос 2 не проявляет быстрой цикличности.

sim(mdl)
open_system([mdl '/Volume'])

-->Converting model to discrete time.
-->Assuming output disturbance added to measured output channel #1 is integrated white noise.
-->The "Model.Noise" property of the "mpc" object is empty. Assuming white noise on each measured output channel.

ans = 

  Simulink.SimulationOutput:
                   tout: [106x1 double] 

     SimulationMetadata: [1x1 Simulink.SimulationMetadata] 
           ErrorMessage: [0x0 char] 

На следующем рисунке показаны расходы от двух насосов.

open_system([mdl '/Pumps'])

Насос 2 включается и выключается контроллером MPC, как и ожидалось.

bdclose(mdl) % close simulink model.