ModelPredictiveControlToolbox-设计和仿真模型预测控制器

1、设计和仿真模型预测控制器 Model Predictive Control Toolbox提供了MATLAB函数、图形用户界面和Simulink模块用于设计和仿真模型预测控制器。模型预估计控制器（Model predictive controller）可以帮助工程师优化服从输入输出约束的多输入、多输出控制系统的性能。 为了预测输入量变化对输出的影响，工具箱使用一个内置的对象模型求解控制行为。工程师可以使用System Identification Toolbox从实验数据估算模型，从线性化的Simulink模型获取模型，或是直接指定一个线性时不变对象，比如传递函数或状态空间形式的。对象模型可以

2、包含延迟环节。使用Model Predictive Control Toolbox提供的两个模块之一直接在Simulink中设计和仿真控制器特点使用图形用户界面和MATLAB命令进行模型预估计控制器的设计和仿真 能够从实验数据或线性的Simulink模型定义一个内置的线性对象模型 在Simulink中直接提供Simulink模块用于设计和仿真模型预测控制器 利用无扰动控制切换使用多个模型预测控制器控制非线性对象 能够处理时变约束和权重、非对角权重及自定义不可测量的干扰模型 通过RTW能够生成C代码的应用发布强大功能使用Model Predictive Control Toolbox Model

3、 Predictive Control Toolbox 使用图形用户界面来组织管理工程师开发的控制器，并把它加入到工程项目中，使工程师可以对项目进行管理并尝试多种控制器。 使用Control and Estimation Tools Manager 简化了这些工作，导入模型和以前设计的控制器，定义被控对象的输入输出，它们的单位及其名义值。该管理器能在界面中显示控制器的结构，标示设置点的个数、操作变量、干扰及可测量和不可测量的输出。 使用Control and Estimation Tools Manager 工程师可以：定义计算后续控制行为中所用的内置对象模型 设计模型预估计控制器 仿真线性模

4、型控制器的闭环行为定义内置对象模型 模型预测控制器的控制行为建立在其内置的过程对象模型之上。这个内置的模型让控制器得以预见将要发生的过程行为并遵从输出约束。具有自我更新能力的内置模型使得模型预估计控制比庞杂的耦合PID回路更容易维护，后者当系统参数发生变化时需要对每一个回路独立进行调节。 Model Predictive Control Toolbox使用LTI模型，使工程师可以使用MathWorks控制系统设计产品系列所通用的传递函数模型结构形式。工程师可以从MATLAB 工作空间（workspace）或是.MAT文件中将多个LTI模型导入到工具箱中。 使用Simulink 和Simulin

5、k Control Design 工具，工程师能从Simulink中获取模型的线性化形式并自动将其导入为工具箱控制器的内部被控对象模型。然后工程师就可以在Simulink的每一仿真步长中精炼这个内部被控对象模型。设计控制器 工具箱可以与MATLAB 或 Simulink.一起使用设计控制器。在MATLAB中设计控制器 工程师可以设计多个控制器，并通过仿真选择最优配置。对每一个控制器，工程师都可以选择一个对象模型并指定如下的控制器参数：预期值（Prediction） 和控制水平（Control horizons） 操作和输出变量的约束条件 输入输出变量的权重因子（Weighting factor

6、s） 用于描述不可测量输入输出扰动和测量噪声的模型利用Control and Estimation Tools Manager 设置可操作和输出变量的约束条件 工具箱支持时变约束和权重、非对角权重及自定义不可测量的干扰模型。在Simulink中设计控制器 当Model Predictive Control Toolbox 与 Simulink Control Design一起使用时，可以直接从Simulink模型中创建控制器。使用Model Predictive Control Toolbox的模块并适当的连接模块的输入和输出，Simulink Control Design就能从中提取出线性化

7、对象模型并生成控制器。Model Predictive Control Toolbox 使用相同的GUI来指定Simulink中的控制器参数，同在与MATLAB一起使用的情形一样。 工程师可以使用多个模型预测控制器模块在一个大范围的操作条件下去控制非线性Simulink模型，也可以使用该模块对每一个操作点设计模型预测控制器，并能在模型运行时在模型预测控制器之间切换。多个模型预测控制器模块确保在一个模型预测控制器到另一个之间的无扰动控制切换。工程师在控制器设计时通过线性化Simulink模型或直接指定对象模型可以在每一个操作点处创建线性对象模型。闭环特性仿真 工程师可以在MATLAB 和 Sim

8、ulink中仿真控制器以评估它的性能。在MATLAB中仿真 工程师可以使用MATLAB函数或Control and Estimation Tools Manager针对线性对象模型运行模型预测控制器的闭环仿真。工程师通过Control and Estimation Tools Manager可以创建多个仿真实例。对每一个仿真实例，工程师可以从以下信号输入控制器设定点和不可量测的干扰：常数值 阶跃信号 脉冲信号 斜坡信号 正弦信号 Gaussian（高斯噪声） 工程师可以比较控制器与被控对象配置，以判别模型的偏差和不同权重因子对约束条件和变量的影响。还可以暂时屏蔽约束条件的作用以评估闭环系统的动

9、态特性，例如稳定性和阻尼。使用Control and Estimation Tools Manager配置和运行仿真以测试控制器在Simulink中仿真 工程师可以使用模型预测控制工具箱提供的Simulink模块针对非线性Simulink模型运行模型预测控制器的闭环仿真。运用模型预测控制器 该工具箱提供两种方法把设计的控制器运用于实际应用。工程师可以使用Real-Time Workshop，在Simulink中编译生成控制器的代码，并应用于目标系统的实现或是在xPC目标上作原型应用。(有关代码生成所支持的目标，请见产品文档“Using Model Predictive Control Tool

10、box with Real-Time Workshop”)。也可以通过OPC Toolbox，将在MATLAB中操作的控制器直接连接到一个OPC兼容的系统上。附录资料：不需要的可以自行删除35t汽车吊上结构楼板计算书1、概况圆形采光顶钢结构为跨度31.6m单层网壳结构，网壳顶标高25.6m，主要由GC-1、GC-2、GC-3、GC-4构件组成，其中GC-1、GC-3为主龙骨，其余为连系件（如下图所示）。圆形采光顶钢结构平面图圆形采光顶钢结构剖面图2、吊车荷载及尺寸质量参数行驶状态自重（总质量） kg32300前轴轴荷 kg11150后桥轴荷 kg21150尺寸参数外形尺寸(长宽高) mm126

11、1325003280支腿纵向距离 m5.35支腿横向距离 m6根据施工方案，35t汽车吊吊装穹顶钢结构最不利工况为：吊装半径10m，吊重1t，即起重力矩为10tm。3、吊车支腿压力计算（1）计算简图计算简图（2）计算工况工况一、起重臂沿车身方向（=0）工况二、起重臂垂直车身方向（=90）工况三、起重臂沿支腿对角线方向（=48）（3）支腿荷载计算公式：N=P/4M（Cos/2a+Sin/2b）式中：P吊车自重及吊重； M起重力矩； 起重臂与车身夹角； a支腿纵向距离； b支腿横向距离。（4）计算结果A、工况一、起重臂沿车身方向（=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、工况一、起重臂垂直车身方向（=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、工况一、起重臂沿支腿对角线方向（=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汽车吊开行于地下室顶板上，每个支腿下设置0.2m*0.2m*2m道木三根垫实，道木扩散面积为1.2m2。汽车吊作业时要求吊车的四个支腿不同时位于一个楼板板块内，即一个楼板板块内只有一个支腿支撑。按支腿位于单个板块中间时为最不利工况计算，柱网间距为8.4m，楼板跨度按8.4m计算，则Mmax=1.3*9.57*8.4/4=26.13tm，1.3为活载动力系数。根据建筑结构荷载规范（GB50009-2001）中附录B楼面等效均布活荷载的确定方法，可知楼板上局部荷载（包括集中荷载）的等效均布荷载qe=8Mmax/(bl2)。上式中，l楼板的跨度；