ModelPredictiveControlToolbox-設(shè)計(jì)和仿真模型預(yù)測(cè)控制器

1、設(shè)計(jì)和仿真模型預(yù)測(cè)控制器 Model Predictive Control Toolbox提供了MATLAB函數(shù)、圖形用戶(hù)界面和Simulink模塊用于設(shè)計(jì)和仿真模型預(yù)測(cè)控制器。模型預(yù)估計(jì)控制器（Model predictive controller）可以幫助工程師優(yōu)化服從輸入輸出約束的多輸入、多輸出控制系統(tǒng)的性能。 為了預(yù)測(cè)輸入量變化對(duì)輸出的影響，工具箱使用一個(gè)內(nèi)置的對(duì)象模型求解控制行為。工程師可以使用System Identification Toolbox從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算模型，從線(xiàn)性化的Simulink模型獲取模型，或是直接指定一個(gè)線(xiàn)性時(shí)不變對(duì)象，比如傳遞函數(shù)或狀態(tài)空間形式的。對(duì)象模型可以

2、包含延遲環(huán)節(jié)。使用Model Predictive Control Toolbox提供的兩個(gè)模塊之一直接在Simulink中設(shè)計(jì)和仿真控制器特點(diǎn)使用圖形用戶(hù)界面和MATLAB命令進(jìn)行模型預(yù)估計(jì)控制器的設(shè)計(jì)和仿真 能夠從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或線(xiàn)性的Simulink模型定義一個(gè)內(nèi)置的線(xiàn)性對(duì)象模型 在Simulink中直接提供Simulink模塊用于設(shè)計(jì)和仿真模型預(yù)測(cè)控制器 利用無(wú)擾動(dòng)控制切換使用多個(gè)模型預(yù)測(cè)控制器控制非線(xiàn)性對(duì)象 能夠處理時(shí)變約束和權(quán)重、非對(duì)角權(quán)重及自定義不可測(cè)量的干擾模型 通過(guò)RTW能夠生成C代碼的應(yīng)用發(fā)布強(qiáng)大功能使用Model Predictive Control Toolbox Model

3、 Predictive Control Toolbox 使用圖形用戶(hù)界面來(lái)組織管理工程師開(kāi)發(fā)的控制器，并把它加入到工程項(xiàng)目中，使工程師可以對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行管理并嘗試多種控制器。 使用Control and Estimation Tools Manager 簡(jiǎn)化了這些工作，導(dǎo)入模型和以前設(shè)計(jì)的控制器，定義被控對(duì)象的輸入輸出，它們的單位及其名義值。該管理器能在界面中顯示控制器的結(jié)構(gòu)，標(biāo)示設(shè)置點(diǎn)的個(gè)數(shù)、操作變量、干擾及可測(cè)量和不可測(cè)量的輸出。 使用Control and Estimation Tools Manager 工程師可以：定義計(jì)算后續(xù)控制行為中所用的內(nèi)置對(duì)象模型 設(shè)計(jì)模型預(yù)估計(jì)控制器 仿真線(xiàn)性模

4、型控制器的閉環(huán)行為定義內(nèi)置對(duì)象模型 模型預(yù)測(cè)控制器的控制行為建立在其內(nèi)置的過(guò)程對(duì)象模型之上。這個(gè)內(nèi)置的模型讓控制器得以預(yù)見(jiàn)將要發(fā)生的過(guò)程行為并遵從輸出約束。具有自我更新能力的內(nèi)置模型使得模型預(yù)估計(jì)控制比龐雜的耦合PID回路更容易維護(hù)，后者當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)需要對(duì)每一個(gè)回路獨(dú)立進(jìn)行調(diào)節(jié)。 Model Predictive Control Toolbox使用LTI模型，使工程師可以使用MathWorks控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品系列所通用的傳遞函數(shù)模型結(jié)構(gòu)形式。工程師可以從MATLAB 工作空間（workspace）或是.MAT文件中將多個(gè)LTI模型導(dǎo)入到工具箱中。 使用Simulink 和Simulin

5、k Control Design 工具，工程師能從Simulink中獲取模型的線(xiàn)性化形式并自動(dòng)將其導(dǎo)入為工具箱控制器的內(nèi)部被控對(duì)象模型。然后工程師就可以在Simulink的每一仿真步長(zhǎng)中精煉這個(gè)內(nèi)部被控對(duì)象模型。設(shè)計(jì)控制器 工具箱可以與MATLAB 或 Simulink.一起使用設(shè)計(jì)控制器。在MATLAB中設(shè)計(jì)控制器 工程師可以設(shè)計(jì)多個(gè)控制器，并通過(guò)仿真選擇最優(yōu)配置。對(duì)每一個(gè)控制器，工程師都可以選擇一個(gè)對(duì)象模型并指定如下的控制器參數(shù)：預(yù)期值（Prediction） 和控制水平（Control horizons） 操作和輸出變量的約束條件 輸入輸出變量的權(quán)重因子（Weighting factor

6、s） 用于描述不可測(cè)量輸入輸出擾動(dòng)和測(cè)量噪聲的模型利用Control and Estimation Tools Manager 設(shè)置可操作和輸出變量的約束條件 工具箱支持時(shí)變約束和權(quán)重、非對(duì)角權(quán)重及自定義不可測(cè)量的干擾模型。在Simulink中設(shè)計(jì)控制器 當(dāng)Model Predictive Control Toolbox 與 Simulink Control Design一起使用時(shí)，可以直接從Simulink模型中創(chuàng)建控制器。使用Model Predictive Control Toolbox的模塊并適當(dāng)?shù)倪B接模塊的輸入和輸出，Simulink Control Design就能從中提取出線(xiàn)性化

7、對(duì)象模型并生成控制器。Model Predictive Control Toolbox 使用相同的GUI來(lái)指定Simulink中的控制器參數(shù)，同在與MATLAB一起使用的情形一樣。 工程師可以使用多個(gè)模型預(yù)測(cè)控制器模塊在一個(gè)大范圍的操作條件下去控制非線(xiàn)性Simulink模型，也可以使用該模塊對(duì)每一個(gè)操作點(diǎn)設(shè)計(jì)模型預(yù)測(cè)控制器，并能在模型運(yùn)行時(shí)在模型預(yù)測(cè)控制器之間切換。多個(gè)模型預(yù)測(cè)控制器模塊確保在一個(gè)模型預(yù)測(cè)控制器到另一個(gè)之間的無(wú)擾動(dòng)控制切換。工程師在控制器設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)線(xiàn)性化Simulink模型或直接指定對(duì)象模型可以在每一個(gè)操作點(diǎn)處創(chuàng)建線(xiàn)性對(duì)象模型。閉環(huán)特性仿真 工程師可以在MATLAB 和 Sim

8、ulink中仿真控制器以評(píng)估它的性能。在MATLAB中仿真 工程師可以使用MATLAB函數(shù)或Control and Estimation Tools Manager針對(duì)線(xiàn)性對(duì)象模型運(yùn)行模型預(yù)測(cè)控制器的閉環(huán)仿真。工程師通過(guò)Control and Estimation Tools Manager可以創(chuàng)建多個(gè)仿真實(shí)例。對(duì)每一個(gè)仿真實(shí)例，工程師可以從以下信號(hào)輸入控制器設(shè)定點(diǎn)和不可量測(cè)的干擾：常數(shù)值 階躍信號(hào) 脈沖信號(hào) 斜坡信號(hào) 正弦信號(hào) Gaussian（高斯噪聲） 工程師可以比較控制器與被控對(duì)象配置，以判別模型的偏差和不同權(quán)重因子對(duì)約束條件和變量的影響。還可以暫時(shí)屏蔽約束條件的作用以評(píng)估閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)

9、態(tài)特性，例如穩(wěn)定性和阻尼。使用Control and Estimation Tools Manager配置和運(yùn)行仿真以測(cè)試控制器在Simulink中仿真 工程師可以使用模型預(yù)測(cè)控制工具箱提供的Simulink模塊針對(duì)非線(xiàn)性Simulink模型運(yùn)行模型預(yù)測(cè)控制器的閉環(huán)仿真。運(yùn)用模型預(yù)測(cè)控制器 該工具箱提供兩種方法把設(shè)計(jì)的控制器運(yùn)用于實(shí)際應(yīng)用。工程師可以使用Real-Time Workshop，在Simulink中編譯生成控制器的代碼，并應(yīng)用于目標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)或是在xPC目標(biāo)上作原型應(yīng)用。(有關(guān)代碼生成所支持的目標(biāo)，請(qǐng)見(jiàn)產(chǎn)品文檔“Using Model Predictive Control Tool

10、box with Real-Time Workshop”)。也可以通過(guò)OPC Toolbox，將在MATLAB中操作的控制器直接連接到一個(gè)OPC兼容的系統(tǒng)上。附錄資料：不需要的可以自行刪除35t汽車(chē)吊上結(jié)構(gòu)樓板計(jì)算書(shū)1、概況圓形采光頂鋼結(jié)構(gòu)為跨度31.6m單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼頂標(biāo)高25.6m，主要由GC-1、GC-2、GC-3、GC-4構(gòu)件組成，其中GC-1、GC-3為主龍骨，其余為連系件（如下圖所示）。圓形采光頂鋼結(jié)構(gòu)平面圖圓形采光頂鋼結(jié)構(gòu)剖面圖2、吊車(chē)荷載及尺寸質(zhì)量參數(shù)行駛狀態(tài)自重（總質(zhì)量） kg32300前軸軸荷 kg11150后橋軸荷 kg21150尺寸參數(shù)外形尺寸(長(zhǎng)寬高) mm126

11、1325003280支腿縱向距離 m5.35支腿橫向距離 m6根據(jù)施工方案，35t汽車(chē)吊吊裝穹頂鋼結(jié)構(gòu)最不利工況為：吊裝半徑10m，吊重1t，即起重力矩為10tm。3、吊車(chē)支腿壓力計(jì)算（1）計(jì)算簡(jiǎn)圖計(jì)算簡(jiǎn)圖（2）計(jì)算工況工況一、起重臂沿車(chē)身方向（=0）工況二、起重臂垂直車(chē)身方向（=90）工況三、起重臂沿支腿對(duì)角線(xiàn)方向（=48）（3）支腿荷載計(jì)算公式：N=P/4M（Cos/2a+Sin/2b）式中：P吊車(chē)自重及吊重； M起重力矩； 起重臂與車(chē)身夾角； a支腿縱向距離； b支腿橫向距離。（4）計(jì)算結(jié)果A、工況一、起重臂沿車(chē)身方向（=0）N1=N2=P/4+M（Cos/2a+Sin/2b） =（32

12、.3+1）/4+10（1/10.7）=9.26tN3=N4=P/4-M（Cos/2a+Sin/2b） =（32.3+1）/4-10（1/10.7）=7.39tB、工況一、起重臂垂直車(chē)身方向（=90）N1=N3=P/4+M（Cos/2a+Sin/2b） =（32.3+1）/4+10（1/12）=9.16tN2=N4=P/4-M（Cos/2a+Sin/2b） =（32.3+1）/4-10（1/12）=7.49tC、工況一、起重臂沿支腿對(duì)角線(xiàn)方向（=52）N1=P/4+M（Cos/2a+Sin/2b） =（32.3+1）/4+10（Cos52/10.7+Sin52/12）=9.57tN4=P/4-M

13、（Cos/2a+Sin/2b） =（32.3+1）/4-10（Cos52/10.7+Sin52/12）=7.09tN2=P/4-M（Cos/2a-Sin/2b） =（32.3+1）/4-10（Cos52/10.7-Sin52/12）=8.41ttN3=P/4+M（-Cos/2a+Sin/2b） =（32.3+1）/4+10（-Cos52/10.7+Sin52/12）=8.41t35t汽車(chē)吊開(kāi)行于地下室頂板上，每個(gè)支腿下設(shè)置0.2m*0.2m*2m道木三根墊實(shí)，道木擴(kuò)散面積為1.2m2。汽車(chē)吊作業(yè)時(shí)要求吊車(chē)的四個(gè)支腿不同時(shí)位于一個(gè)樓板板塊內(nèi)，即一個(gè)樓板板塊內(nèi)只有一個(gè)支腿支撐。按支腿位于單個(gè)板塊中間時(shí)為最不利工況計(jì)算，柱網(wǎng)間距為8.4m，樓板跨度按8.4m計(jì)算，則Mmax=1.3*9.57*8.4/4=26.13tm，1.3為活載動(dòng)力系數(shù)。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2001）中附錄B樓面等效均布活荷載的確定方法，可知樓板上局部荷載（包括集中荷載）的等效均布荷載qe=8Mmax/(bl2)。上式中，l樓板的跨度；