Спроектируйте контроллер MPC в Simulink
В этом примере показано, как спроектировать прогнозирующий контроллер модели для непрерывного реактора смесителя (CSTR) в Simulink® использование MPC Designer.
Этот пример требует, чтобы программное обеспечение Simulink Control Design™ задало структуру MPC путем линеаризации нелинейной модели Simulink.
Если у вас нет программного обеспечения Simulink Control Design, необходимо сначала создать mpc объект в MATLAB® рабочая область. Для получения дополнительной информации смотрите, что Контроллер Проекта Использует MPC Designer и Проект Контроллер MPC в Командной строке.
Модель CSTR
Нелинейная модель Постоянно реактора смесителя (CSTR) описана в Модели CSTR. В модели входные параметры:
Питайте Концентрацию (CAi) — концентрация реагента A в потоке канала (kgmol/m3)
Питайте Температуру (Ti) — потоковая температура Канала (K)
Температура хладагента (Tc) — Реакторная температура хладагента (K)
в то время как переменные состояния (и выходные параметры):
Температура CSTR (T) — Реакторная температура (K)
Концентрация (CA) — Концентрация реагента A в потоке продукта, также называемом residual concentration (kgmol/m3)
Цель управления состоит в том, чтобы обеспечить остаточную концентрацию, CA, в его номинальном заданном значении путем корректирования температуры хладагента, Tc. Изменения в концентрации канала, CAi, и температуре канала, Ti, вызывают воздействия в реакции CSTR.
Реакторная температура, T, обычно измеряется. Однако для этого примера, проигнорируйте реакторную температуру и примите, что остаточная концентрация измеряется непосредственно.
Откройте модель Simulink.
open_system('CSTR_ClosedLoop')
Соедините измеренный сигнал воздействия
В окне модели Simulink дважды кликните блок MPC Controller.
В диалоговом окне Block Parameters, на вкладке General, выбирают опцию Measured disturbance (md).
Нажмите Apply, чтобы добавить md входной порт с блоком контроллера.
В окне модели Simulink соедините блок Feed Temperature выход с md входной порт.
Линеаризуйте модель Simulink
В этом примере вы линеаризуете модель Simulink из MPC Designer, который требует программного обеспечения Simulink Control Design. Для получения дополнительной информации смотрите, Линеаризуют Модели Simulink Используя MPC Designer.
Если у вас нет программного обеспечения Simulink Control Design, необходимо сначала создать mpc объект в рабочем пространстве MATLAB и указывает, что диспетчер возражает в блоке MPC Controller.
Чтобы открыть MPC Designer, откройте блок MPC Controller и нажмите Design.
В MPC Designer, на вкладке MPC Designer, в разделе Structure, нажимают MPC Structure.
В диалоговом окне Define MPC Structure By Linearization, в разделе Controller Sample Time, задают шаг расчета 0.1.
В разделе MPC Structure нажмите Change I/O Sizes, чтобы добавить неизмеренное воздействие и измеренные размерности сигнала воздействия.
В диалоговом окне MPC Block Signal Sizes задайте количество каналов ввода-вывода каждого типа.
Нажмите OK.
В диалоговом окне Define MPC Structure By Linearization, в разделе Simulink Signals for Plant Inputs, приложение добавляет строку для Unmeasured Disturbances (UD).
Переменное, измеренное воздействие, которым управляют и измеренный выход уже присвоены их соответствующим линиям Сигнала Simulink, которые соединяются с блоком MPC Controller.
В разделе Simulink Signals for Plant Inputs выберите строку Unmeasured Disturbances (UD) и нажмите Select Signals.
В окне модели Simulink кликните по выходному сигналу блока Feed Concentration.
Сигнал подсвечен, и его блок path добавляется к диалоговому окну Select Signal.
В диалоговом окне Select Signals нажмите Add Signal(s).
В диалоговом окне Define MPC Structure By Linearization, в таблице Simulink Signals for Plant Inputs, обновляется Block Path для неизмеренного сигнала воздействия.
В этом примере вы линеаризуете модель Simulink в установившейся рабочей точке равновесия, где остаточная концентрация составляет 2 килограмм-моля/м3. Чтобы вычислить такую рабочую точку, добавьте CA предупредите как выходное ограничение для обрезки и задайте его целевое ограничительное значение.
В окне модели Simulink выберите сигнальную линию, соединенную с CA выходной порт блока CSTR.
На вкладке Apps нажмите Linearization Manager. Затем на вкладке Linearization, в галерее Insert Analysis Points, выбирают Trim Output Constraint.
CA сигнал может теперь использоваться к выходным define техническим требованиям для вычисления установившейся рабочей точки модели.
В диалоговом окне Define MPC Structure By Linearization, в разделе Simulink Operating Point, в выпадающем списке, выбирают Trim Model.
При использовании MPC Designer в MATLAB Online™ не поддерживается обрезка. Необходимо линеаризовать модель в начальных условиях модели.
В Обрезке диалоговое окно модели, на вкладке Outputs, устанавливают флажок в столбце Known для Channel-1 и задайте Value 2.
Эта установка ограничивает значение выходного сигнала во время поиска рабочей точки к известному значению.
Нажмите Start Trimming.
В диалоговом окне Define MPC Structure By Linearization, в разделе Simulink Operating Point, вычисленной рабочей точке, op_trim1, добавлен к выпадающему списку и выбран.
В выпадающем списке, под View/Edit, нажимают Edit op_trim1.
В диалоговом окне Edit, на вкладке State, в столбце Actual dx, почти нулевые производные значения указывают, что вычисленная рабочая точка в установившемся.
Чтобы установить начальные состояния модели Simulink к значениям рабочей точки в столбце Actual Values, нажмите Initialize model. Выполнение так позволяет вам позже симулировать модель Simulink в вычисленной рабочей точке, а не в начальных условиях модели по умолчанию.
В диалоговом окне Initialize Model нажмите OK.
При устанавливании начальных условий модели MPC Designer экспортирует рабочую точку в рабочее пространство MATLAB. Кроме того, в диалоговом окне Simulink Configuration Parameters, в разделе Data Import/Export, это выбирает Input и параметры Initial state и конфигурирует их, чтобы использовать состояния и входные параметры в экспортируемой рабочей точке.
Чтобы сбросить начальные условия модели, например, если вы удаляете экспортируемую рабочую точку, очищают параметры Initial state и Input.
Закройте диалоговое окно Edit.
В диалоговом окне Define MPC Structure By Linearization линеаризуйте модель путем нажатия на Define and Linearize.
В Data Browser приложение добавляет следующие элементы.
Линеаризовавшая модель объекта управления
plantКонтроллер MPC по умолчанию
mpc1созданное использование линеаризовавшего объекта как внутренняя модель предсказанияСценарий симуляции по умолчанию
scenario1
Задайте Атрибуты Канала ввода-вывода
На вкладке MPC Designer, в разделе Structure, нажимают I/O Attributes.
В диалоговом окне Input and Output Channel Specifications, в столбце Name, задают понятные имена для каждого канала ввода и вывода.
В столбце Unit задайте соответствующие модули для каждого сигнала.
Nominal Value для каждого сигнала является соответствующим установившимся значением в вычисленной рабочей точке.
Нажмите OK.
Задайте сценарии симуляции подавления помех
Главная цель контроллера состоит в том, чтобы содержать остаточную концентрацию CA по номинальной стоимости 2 kgmol/m3. Для этого контроллер должен отклонить и измеренные и неизмеренные воздействия.
На вкладке MPC Designer, в разделе Scenario, выбирают Edit Scenario> scenario1.
В диалоговом окне Simulation Scenario, в таблице Reference Signals, в Signal выпадающий список выбирают Constant, чтобы содержать выходное заданное значение по его номинальной стоимости.
В таблице Measured Disturbances, в Signal выпадающий список, выбирают Step.
Задайте шаг Size 10 и шаг Time 0.
Нажмите OK.
В Data Browser, под Scenarios, нажимают scenario1. Нажмите scenario1 во второй раз, и переименовывают его MD_reject.
В разделе Scenario нажмите Plot Scenario> New Scenario.
В диалоговом окне Simulation Scenario, в таблице Unmeasured Disturbances, в Signal выпадающий список, выбирают Step.
Задайте шаг Size 1 и шаг Time 0.
Нажмите OK.
В Data Browser, под Scenarios, переименовывают NewScenario к UD_reject.
Расположите Выходные графики отклика
Чтобы сделать просмотр настраивающихся результатов легче, расположите область построения, чтобы отобразить Выходные Графики отклика для обоих сценариев одновременно.
На вкладке View, в разделе Tiles, нажимают Top/Bottom. Вкладка View не поддерживается в MATLAB Online.
Область отображения графика изменяется, чтобы отобразить Входные Графики отклика выше Выходных Графиков отклика.
Перетащите и выберите графики так, чтобы вкладка MD_reject: Output была в верхней области построения, и график UD_reject: Output находится в более низкой области построения.
Настройте эффективность контроллера
На вкладке Tuning, в разделе Horizon, задают Prediction horizon 20 и Control horizon 5.
Output Response строит обновление на основе новых значений горизонта.
Используйте ограничение контроллера по умолчанию и настройки веса.
В разделе Performance Tuning перетащите ползунок Closed-Loop Performance направо, который приводит к более трудному управлению выходных параметров и более агрессивным перемещениям управления. Перетащите ползунок, пока ответ MD_reject: Output не достигнет устойчивого состояния меньше чем через две секунды.
Перетащите ползунок State Estimation направо, который приводит к более агрессивному неизмеренному подавлению помех. Перетащите ползунок, пока ответ UD_reject: Output не достигнет устойчивого состояния меньше чем через 3 секунды.
Обновите модель Simulink с настроенным контроллером
В разделе Analysis выберите Export Controller> Update Block Only. Приложение экспортирует настроенный контроллер mpc1 к рабочему пространству MATLAB. В модели Simulink блок MPC Controller обновляется, чтобы использовать экспортируемый контроллер.
Симулируйте неизмеренное подавление помех
В окне модели Simulink, на вкладке Simulation, Stop Time изменения к 5 секунды.
Начальные условия модели установлены к номинальной рабочей точке, используемой для линеаризации.
Чтобы симулировать модульный шаг в концентрации канала в начальный момент времени, откройте блок Feed Concentration и увеличьте его параметр Constant value с 10 к 11.
В окне модели Simulink откройте осциллограф Concentration и запустите симуляцию.
Выходной ответ похож на ответ UD_reject, однако время урегулирования приблизительно 1 секунду спустя. Различный результат происходит из-за несоответствия между линейным объектом, используемым в симуляции MPC Designer и нелинейным объектом в модели Simulink.
Симулируйте измеренное подавление помех
Чтобы симулировать измеренное подавление помех, сначала возвратите блок Feed Concentration в его номинальную стоимость 10.
Чтобы симулировать ступенчатое изменение в температуре канала в начальный момент времени, откройте блок Feed Temperature и увеличьте его параметр Constant value с 300 к 310.
Запустите симуляцию.
Выходной ответ похож на ответ MD_reject от симуляции MPC Designer.