产品要求

本例需要Simulink®Control D万博1manbetxesign™软件通过线性化非线性Simulink模型来定义MPC结构。

如果~ mpcchecktoolboxinstalled (“slcontrol”) disp (“万博1manbetx运行此示例需要Simulink Control Design。”）返回结束

摆/车总成

本例中的设备是以下推车/摆组件，其中x推车位置和θ是摆角。

这个系统是通过施加一个可变力来控制的F在手推车上。当移动推车到新的位置或当脉冲扰动推动钟摆向前时，控制器需要保持钟摆直立dF应用于倒立摆的上端。

在Simulink中使用常用的模块对该工厂进行建模万博1manbetx。

mdlPlant =“mpc_pendcartPlant”；load_system mdlPlant open_system ([mdlPlant'/摆车系统'),“力”）

控制目标

假设推车/摆组件的初始条件如下:

控制目标为:

对于倒立摆来说，直立位置是一个不稳定的平衡，这使得控制任务更具挑战性。

控制结构

在这个例子中，使用一个MPC控制器:

mdlMPC =“mpc_pendcartExplicitMPC”；open_system (mdlMPC)

尽管推车速度x_dot和钟摆角速度theta_dot可从工厂模型中获得，为了使设计案例更加真实，它们被排除在MPC测量之外。

当推车位置设定值变化时(步长输入)，摆角设定值是恒定的(0=直立姿势)。

线性植物模型

由于MPC控制器需要线性时不变(LTI)植物模型进行预测，在初始工作点线性化Simulink植物模型。万博1manbetx

指定线性化输入和输出点

io(1) = linio([mdlPlant .' / dF '), 1“openinput”）;io(2) = linio([mdlPlant .“楼”), 1“openinput”）;io(3) = linio([mdlPlant .'/摆车系统'), 1“openoutput”）;io(4) = linio([mdlPlant .'/摆车系统'), 3,“openoutput”）;

为工厂初始条件创建工作点规格。

opspec = operspec(mdlPlant);

第一种状态是推车位置x，其初始状态已知为0。

opspec.States(1)。已知=真实;opspec.States(1)。X = 0;

第三个状态是摆角θ，其初始状态已知为0。

opspec.States(3)。已知=真实;opspec.States(3)。X = 0;

使用这些规格计算工作点。

选项= findopOptions(“DisplayReport”、假);op = findop(mdlPlant,opspec,options);

得到指定工作点的线性工厂模型。

plant = linearize(mdlPlant,op,io);工厂。InputName = {“dF”；“F”};工厂。OutputName = {“x”；“θ”};

检查线性化植物的极点。

极(植物)

Ans = 0 -11.9115 -3.2138 5.1253

该装置有一个积分器和一个不稳定杆。

bdclose (mdlPlant)

传统(隐式)MPC设计

植物有两个输入，dF而且F，和两个输出，x而且θ．在这个例子中，dF指定为MPC控制器使用的不可测扰动，以更好地抑制扰动。设置植物信号类型。

植物= setmpcsignals(植物，“ud”, 1“mv”2);

为了控制一个不稳定的设备，控制器采样时间不能太大(抗干扰能力差)或太小(计算负荷过大)。类似地，预测范围不能太长(植物不稳定模式将占主导地位)或太短(约束违反将不可预见)。本例中使用以下参数:

Ts = 0.01;预测地平线= 50;ControlHorizon = 5;mpcobj = mpc(plant,Ts,PredictionHorizon,ControlHorizon);

- - - >“权重。属性为空。假设默认值为0.00000。- - - >“权重。属性为空。假设默认为0.10000。- - - >“权重。OutputVariables属性为空。假设默认值为1.00000。对于输出y1和输出y2的零权重

我们可以对推车施加多大的力是有限制的，这被指定为对操纵变量的硬约束F．

mpcobj.MV.Min = -200;mpcobj.MV.Max = 200;

在设计权重之前，衡量植物的投入和产出是一个很好的做法。在这种情况下，由于被操纵变量的范围比工厂输出的范围大两个数量级，将输入MV缩放100。

mpcobj.MV.ScaleFactor = 100;

为了提高控制器的鲁棒性，增加对MV变化率的权重0．1来1．

mpcobj.Weights.MVRate = 1;

为了达到平衡的性能，调整工厂产出的权重。第一个权重与推车位置相关x第二个权重与角度有关θ．

mpcobo . weights . ov = [1.2 1];

为了实现更积极的干扰抑制，通过将默认扰动模型增益乘以一个因子来增加状态估计器增益10．

更新输入扰动模型。

扰动模型= getindist(mpcobj);setindist (mpcobj“模型”, disturbance_model * 10);

——>转换模型到离散时间。——>”模式。“扰动”属性为空:假设未测量的输入扰动#1是集成白噪声。假设测量的输出通道1没有任何扰动。假设添加到测量输出通道#2的输出扰动是集成白噪声。——>”模式。“噪音”属性为空。假设每个测量输出都有白噪声。

更新输出扰动模型。

getoutdist(mpcobj);setoutdist (mpcobj“模型”, disturbance_model * 10);

——>转换模型到离散时间。假设测量的输出通道1没有任何扰动。假设添加到测量输出通道#2的输出扰动是集成白噪声。——>”模式。“噪音”属性为空。假设每个测量输出都有白噪声。

显式MPC生成

一个简单的隐式MPC控制器，不需要在运行时进行约束或权重更改，可以转换为具有相同控制性能的显式MPC控制器。使用显式MPC的主要好处是避免了实时优化，因此适用于需要快速采样时间的工业应用。代价是显式MPC占用很高的内存，因为所有可行区域的最佳解决方案都是离线预计算并存储以供运行时访问。万博 尤文图斯

要从隐式MPC控制器生成显式MPC控制器，请定义参数范围，如工厂状态、引用和操作变量。据您所知，这些范围应包括设备和控制器所设计的操作空间。

range = generateExplicitRange(mpcobj);range.State.Min(:) = -20;%最大范围来自推车位置xrange.State.Max(:) = 20;range.Reference.Min = -20;%最大范围来自推车位置xrange.Reference.Max = 20;range.ManipulatedVariable.Min = -200;range.ManipulatedVariable.Max = 200;

——>转换模型到离散时间。——>”模式。“噪音”属性为空。假设每个测量输出都有白噪声。

为定义的范围生成显式MPC控制器。

mpcobjExplicit = generateExplicitMPC(mpcobj,range);

已发现/未开发地区:92/ 0

若要在Simulink中使用显式MPC控制器，请在Simulink模型中的显万博1manbetx式MPC控制器块对话框中指定它。

闭环仿真

通过Simulink中的闭环仿真验证MPC设计。万博1manbetx

open_system ([mdlMPC/范围的]) sim (mdlMPC)

在非线性仿真中，成功地实现了所有的控制目标。

与计算结果进行了比较小车上倒立摆的控制，隐式和显式MPC控制器提供相同的性能预期。

讨论

需要指出的是，所设计的MPC控制器有其局限性。例如，如果将步骤设定值更改为15时，钟摆在转换过程中无法恢复直立位置。

为了在相同的上升时间内达到更长的距离，控制器在开始时对推车施加更大的力。结果，钟摆从其直立位置偏移了一个较大的角度，例如60度。在这样的角度下，植物动态与获得的LTI预测模型有显著差异θ＝0．结果，对植物行为的预测误差超过了内置MPC鲁棒性所能处理的范围，控制器无法正常执行。

避免钟摆下降的一个简单的解决方法是通过添加软输出约束来限制钟摆位移θ减小约束软化的ECR权值。

mpcobj.OV(2)。Min = -pi/2;mpcobj.OV(2)。Max = pi/2;mpcobj.Weights.ECR = 100;

然而，有了这些新的控制器设置，就不可能在要求的上升时间内达到更长的距离了。换句话说，为了避免违反软输出约束，牺牲了控制器的性能。

为了在相同的上升时间内达到更长的距离，控制器需要更精确的不同角度的模型来提高预测。另一个例子小车倒立摆增益控制的MPC控制展示了如何使用增益调度MPC来实现更长的距离。

关闭Simulink万博1manbetx模型。

bdclose (mdlMPC)