Matlab／MPC工具箱在《预测控制》课程教学中的应用.pdf

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1、2014年2月教育教学论坛Feb．2014第9期EDUCATIONTEACHINGFORUMNO．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

2、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，

3、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

4、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

5、PID控制更设计工具，在图形界面的左侧会出现被控对象(Planmod—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—

6、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．)或不可测干扰信号适应专业技术课程的发展要求。为了改善这一现状，多媒体(Unmeas．disturb．)；输出信号类型为可为测干扰信号(Mea—技术已经被广泛的应用于控制学科课程的课堂教学。采用surd)或不可测信号(Unmeasured)。将输入输出信号属性设多媒体课件结合板书的教学方法，可以将枯燥的理论知识置完毕后，再对控制器属性进行设置，如采样间隔时间更加形象化、具体化，在一定程度上能够改善教学效果。(Control

7、interva1)、预测时域(Predictionhorizon)、控制时域随着计算机科学的不断发展，各种仿真软件的日益广(Controlhorizon)，以及约束和权重值设置(Manipulated泛应用给专业课教学提供了现代化的教学手段。其中Mat—variables／Outputvariables)。对被控对象和控制器模型描述lab语言自上世纪80年代问世以来，以其高性能的数值计算完毕后，在仿真器中设置仿真参数，如仿真时间(Duration)、和可视化的图形功能以及简单易学的编程方式，已被广泛设定点(Setpoints

8、)以及它们的信号类型(rvpe)、幅值(Size)应用于教学和科研当中。本文结合《预测控制》课程中被控和作用起始时间(Time)、周期(Period)等。所有参数完成设对象的特点，以系统的控制器设计为例，将Matlab／MPC工具置后，通过Simulate对系统进行仿真，并将结果通过Exp