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模型预测控制教育与应用接口设计

Eray Yilmazlar, Erkan Kaplanoğlu

摘要：在这项研究中，一个教育和应用接口被设计用来模型预测控制（MPC）。在这个设计中，MPC工具盒 和MATLAB GUI 在这款MATLAB软件中被使用。接口的开发中包括的模型预测控制方法有：单输入单输出，多输入多输出，约束或无约束系统。在课堂教学过程中，通过对模型预测控制方法的研究，对模型预测控制方法进行了开发，并对其进行了测试，并进行了分析和研究。

关键字：模型预测控制;MATLAB MPC,MPC工具箱,MPC接口

1.简介

在自动控制器的应用中，重要的是要意识到控制器和单元过程。信任或怀疑结果归因于一个又一个。可怜的控制器通常是能够执行可接受过程,很容易控制。最好的控制器,当痛苦地应用于设计过程中,不得提供所需的性能。事实是，严重的设计过程、先进的控制器能够维持比老款更好的结果,但是在这些过程,有一个明确的终点可以接洽仪器和让它更完美。

模型预测控制是一种先进的控制方法,在工业控制中占有重要的位置。虽然最初仅仅是应用在石化行业,今天它的使用在其他系统控制领域增加。考虑MPC的结构,生成的输出的控制器控制系统未来行为的预测与优化的基础上,通过数学模型的系统通常称为模型预测控制。

MPC是指一类计算机控制算法,利用显式流程模型预测未来响应植物。在每个控制间隔MPC算法试图优化植物行为通过计算一系列的未来被控变量的调整。

今天,有许多研究和创新在国际上有关的应用程序和运作方式的MPC方法。至于在土耳其,获得的数据显示一个图(土耳其)的科学和技术研究权威支持项目,事实上,很多人关心过程控制对此事缺乏知识。货币政策委员会的目的决定的现状教育课程在大学接受了检查,发现有些MPC相关主题包括在一些研究生课程的范围。

使用一个有效的实验设置或教育界面显示主题将有助于现在的主题可以理解,在很短的时间内。图形用户界面系统的识别设备使用MATLAB。MATLAB是一个著名的软件包,是广泛应用于控制系统设计、信号处理、系统识别、等等。我们建议使用一个GUI,特别适合初学者的MPC。

在本研究的基础上,认为应用程序接口提供信息和教育差异,模型预测控制算法的优点和缺点的比较与其他控制系统以及信息系统可以应用需要和一个接口,运行在MATLAB环境下设计为了满足这种需要。

2. 模型预测控制教育与教育中的应用接口

使用接口的教育使学生的动机通过课程,帮助他们在发展兴趣和积极的态度,他们的注意力集中在这个话题,将他们的知识转移到新的实现和增加的持久性信息是有用的。利用这些好处的使用接口,在讲课的过程中MPC方法,通常,用于工业,作为大学课程的一部分的过程动态控制系统,提高教育质量是有针对性的。同时,学生通过这个接口将承认的优缺点MPC与其他控制方法相比,通过应用程序与电脑,他们都将完成和将能够访问的教育材料提供信息的方式和方法可以应用系统。此外,这些应用程序将能够详细检查MPC的过程进行分析和评估。

3. 模型预测控制的设计和使用教育和应用程序接口

提出了MPC方法的操作过程如图1所示。y的输出,它被定义为目标,旨在系统的优化运行根据参考输入。影响这个操作过程的变量的影响,或者换句话说可调变量,是相当大的输出达到目标。

通过模型的预测控制方法在控制这种效果,可调变量的变化通过预测地平线和预测这些变化可能引起的问题在最短的时间内达到所需的目的是移除。预测地平线表明未来过程的输出系统扫描。

图1 模型预测控制的操作过程。

3.1．模型预测控制在Matlab MPC工具箱的性能

MPC 是在MPC工具箱下运行的MATLAB函数。这种控制方法也可以在仿真软件MATLAB的m文件或进行。这项研究是进行与用户界面运行代码连接到MPC工具箱在m文件。

系统块图的MPC过程如图2所示。表1中给出的定义这一块开始前MPC过程,表1中给出的变量,是必须解决的问题。其中最重要的是控制系统的数学模型和可衡量的影响这个系统的干扰。在开发系统的数学模型,这些模型转化为传递函数,这种转换是定义在MATLAB的m文件。相关的其他因素是必要的定义与前置用语等控制系统,控制的地平线,参考价值和运行过程的持续时间。交互系统的输出方程矩阵的例子：。其中，代表系统的数学模型在是控制信号控制应用系统。包括参考价值,控制地平线,预测地平线,反馈信号和干扰值。U表示可测干扰的数学模型和d表示扰动的数值。这个方程的数据是通过m文件和命令输入和算法在MPC工具箱创建下工作。这些算法随每一个控制过程。对于单变量的系统,多输入多输出、限制政策委员会,不受约束的政策委员会或建立传递函数和状态空间矩阵建模方法和算法改变了命令。

图2模型预测控制的博客在 MPC工具箱中

表 1模型预测控制过程的变量

3.2 MATLAB GUI的接口设计

在MATLAB GUI中接口被设计为了使本研究能够方便地用于各种应用程序和监控的情况下在不同的流程为教育目的。这些设计又进行了通过GUI工具菜单。如图3所示。

图3 接口设计用于多输入的无限制模型预测控制和多输出系统

3.3 模型预测控制教育和应用程序的操作界面

在启动界面设计时,首先入口页面显示如图4所示。提出了五个接口的应用程序在这个页面。它们是:

1. 对于无约束模型预测控制的单变量系统。
2. 对于单变量的约束模型预测控制系统。
3. 无约束模型预测控制的多输入多输出系统。
4. 约束模型预测控制的多输入多输出系统。
5. 多模型预测控制的多个与状态空间矩阵输出系统约束。

一个活跃的操作应用程序如图5所示。构成这个接口的部分,他们的任务如下。

1. 系统变量按钮:系统的数学模型和可测扰动输入和保存到与这个按钮打开的GUI窗口模型传递函数。
2. 控制变量按钮:参考价值,预测和控制地平线值和输入和输出的值的约束系统控制进入打开的子GUI窗口点击这个按钮。
3. 理论信息按钮:点击这个按钮打开子GUI窗口的信息系统上,货币政策委员会过程显示和控制算法。
4. 系统和控制信息:数据保存与系统变量和控制变量按钮分别显示在界面窗口。
5. 系统模型预测控制按钮:点击这个按钮将数据系统和控制变量MPC工具箱的算法和计算是由m文件。计算输出信号值显示的图形窗口标题为调节变量和输出。

图4 模型预测控制和应用程序的主窗口界面

图5 积极为无限制的使用界面窗口的设计多输入和多输出系统的模型预测控制

4.结论

由于这些作品,吸收MPC方法和种类,监控组件的控制过程和结果的影响这一过程的和方便的测试设计系统被启用。材料和应用程序的模型预测控制可以应用和监测可以使用特别是在课程有关过程控制。这项研究是测试学生一起参加动态过程和控制课程机电部门的马尔马拉自然科学和应用科学研究生院的大学学期期间和一个具体的设计提出纠正缺陷后,从教师和学生可以监控过程。认为设计界面将有一个重要的角色在本控制系统传播,这是常用的在国际产业,也在土耳其。

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