计算机控制大作业

计算机控制大作业MPC-PID串级调节
MATLAB仿真
一、模型建立
使用老师提供的模型以及相关传递函数，同时在MPCTOOL中进行简单的配置和参数设定。

控制器设计的参数中，将响应时间设置到最快。

二、仅MPC控制
首先，排除扰动等因素，让系统仅在MPC控制作用下进行工作。

SIMULINK仿真图如下：
输入采用阶跃信号，信号幅值为1.
从图中我们可以看到，超调量> 70%,经历了大约100个控制周期后，系统任然没有进入比较稳定的状态。

三、M PC-PID串级控制
SIMULINK框图如下，在原来的系统结构下，内环加入了PID控制器。

形成一个串级控制系统。

由于观察MPC控制输出，系统在阶跃响应下并没有出现稳态误差，而PID控制器的作用是起到快速调节，因此内环实际使用了PD 调节器，将积分参数置零。

在SIMULINK的PID模块下可以方便设置PID参数。

在设置了几组PD调节器参数之后，系统输出达到上图效果。

可以看到，超调量大约为15%，在15个控制周期后，系统基本进入稳定状态，并且没有静态误差。

对比直接使用DMC控制，DMC-PID串级调节器的效果十分显著。

四、有扰动的MPC控制
尝试在系统中加入扰动环节，测试控制器的响应能力。

在外环中设置一个阶跃信号，将其视为系统干扰。

SIMULINK控制框图如下：
让扰动的阶跃信号在第15拍进入系统，幅值为-0.3.
系统输出响应如下图：
可以明显看到阶跃干扰对系统输出的影响，但是各项指标基本上
和无扰动情况相仿。

五、有扰动的MPC-PID控制
同样，在扰动环节依然存在的情况下，加入内环的PID控制器。

系统输出如下：
可以看到，在第15拍的时候，系统已经基本进入稳定。

当扰动发生时，调节器可以迅速反应，在10拍之内又将系统输出稳定到设定值。

六、结论
模型预测控制（MPC）可以应用于大时间常数，滞后环节的系统，通过实验，我们可以看到，MPC可有有效控制系统输出达到需要的设定值。

但是MPC的调节速度较慢，从实验中也可以看出，需要较多的拍数才能达到稳定的状态。

同时MPC需要知道系统的模型，虽然可以通过不断反馈矫正获得较为好的系统模型，但是依然对模型有所依赖。

PID调节器特点是不需要模型的建立，直接控制输入与输出的关系，同时可以起到快速调节的作用。

MPC-PID串级调节有效结合了两者的优点。

通过MPC计算，给PID调节器提供设定值。

由PID控制器来快速将系统输出调整到MPC 给予的设定值。

我们可以将MPC视为一种优化，而PID则迅速调整到优化的设定值，从而使整体输出达到要求。

从实验结果来看，MPC-PID串级调整系统的控制效果远胜于单独使用MPC控制的效果。

超调量更下，调整时间更短。

对于扰动的抑制也有非常好的效果。