一種動態(tài)矩陣控制仿真軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

張翼飛+曹揚+張帥+張斌

摘要：本文主要將動態(tài)矩陣控制算法和GUI界面相結(jié)合，開發(fā)出動態(tài)矩陣預(yù)測控制軟件，實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制算法的控制仿真。仿真結(jié)果證明，對于單輸入輸出的對象，基于對象階躍響應(yīng)模型的動態(tài)矩陣預(yù)測控制具有很好的控制效果。

關(guān)鍵詞：預(yù)測控制 動態(tài)矩陣控制 MATLAB 仿真

中圖分類號：TP202 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0023-02

DMC算法是一種基于對象階躍響應(yīng)的預(yù)測控制算法，它適用于漸進穩(wěn)定的線性對象。利用疊加原理通過滾動優(yōu)化確定控制量，并利用被控對象的實時測量信息進行誤差校正。首先，用MATLAB在單輸入單輸出系統(tǒng)中編寫動態(tài)矩陣預(yù)測控制算法的程序，驗證了算法的正確性；然后，用GUI的開發(fā)環(huán)境GUIDE實現(xiàn)界面開發(fā)；最后，將動態(tài)矩陣控制算法和GUI界面相結(jié)合，開發(fā)出動態(tài)矩陣預(yù)測控制軟件。本文以MATLAB和GUI作為仿真工具，編程實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制算法和GUI界面，實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制算法的控制仿真。

1 狀態(tài)反饋預(yù)測控制

動態(tài)矩陣控制是一種用被控對象的階躍響應(yīng)特性來描述系統(tǒng)動態(tài)模型的預(yù)測控制算法。它有算法簡單、計算量小，魯棒性較強等特點，近年來已在冶金、石油、化工等領(lǐng)域的過程控制中得到成功的應(yīng)用。動態(tài)矩陣控制基于系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，適用于穩(wěn)定的系統(tǒng)，系統(tǒng)的動態(tài)特性中具有純滯后或非最小相位特性都不影響該算法的直接應(yīng)用。因為直接以對象的階躍響應(yīng)離散系數(shù)為模型，避免了通常的傳遞函數(shù)或狀態(tài)空間模型參數(shù)的辨識問題。DMC算法是由預(yù)測，控制，校正三部分構(gòu)成的。

2 狀態(tài)反饋預(yù)測控制仿真軟件設(shè)計

2.1 動態(tài)矩陣控制的參數(shù)設(shè)計

動態(tài)矩陣控制算法中要設(shè)計的參數(shù)包括：（1）采樣周期T；（2）優(yōu)化時域長度P；（3）控制時域長度M；（4）誤差權(quán)矩陣Q；（5）控制權(quán)矩陣R；（6）誤差校正系數(shù)h。

由于它們與控制的快速性、穩(wěn)定性、魯棒性、抗干擾性等并沒有直接的解析關(guān)系可作為設(shè)計的定量依據(jù)。所以，對于一般的被控對象，DMC算法通常用湊試結(jié)合仿真的方法，對設(shè)計參數(shù)進行整定。本文主要以單入單出系統(tǒng)（SISO）為例，進行動態(tài)矩陣控制效果的仿真實驗。

2.2 SISO系統(tǒng)的動態(tài)矩陣控制仿真實現(xiàn)

2.2.1 一階系統(tǒng)仿真及功能演示

假定一階對象傳遞函數(shù)為：

可以采用動態(tài)矩陣預(yù)測控制算法。在仿真軟件中進行仿真演示，仿真結(jié)果如圖1所示。

再該一階系統(tǒng)中加入干擾，在軟件中進行仿真演示，其仿真結(jié)果如圖2所示。

2.2.2 二階系統(tǒng)仿真及功能演示

假定二階系統(tǒng)的模型如下：

可以采用動態(tài)矩陣預(yù)測控制算法。在仿真軟件中進行仿真演示，仿真結(jié)果如圖3所示。

二階系統(tǒng)加干擾的仿真結(jié)果如圖4所示。

3 結(jié)語

總之，本文以MATLAB和GUI作為仿真工具，編程實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制算法和GUI界面，實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制算法的控制仿真。仿真結(jié)果證明，對于單輸入輸出的對象，基于對象階躍響應(yīng)模型的動態(tài)矩陣預(yù)測控制具有很好的控制效果。動態(tài)矩陣控制仿真軟件可以選擇不同的控制參數(shù)和被控對象，顯示控制仿真曲線，充分展示了動態(tài)矩陣控制算法的功能和特點。

參考文獻

[1]單勝男，王書斌，羅雄麟.基于混沌粒子群優(yōu)化的約束狀態(tài)反饋預(yù)測控制算法[J].計算機與應(yīng)用化學(xué)，2012，29（1）：65-66.

[2]王宇紅，張娜娜.利用Matlab實現(xiàn)對基于Profibus過程實驗系統(tǒng)控制[J].自動化儀表，2011，32（10）：34-35.

[3]麻文斗，王詩宓.SISO動態(tài)矩陣控制的魯棒性[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，42（9）：78-79.

[4]齊維貴，朱學(xué)莉，等.動態(tài)矩陣控制的模型簡化與預(yù)報誤差校正[J].電子學(xué)報，2004，32（7）：89-90.

摘要：本文主要將動態(tài)矩陣控制算法和GUI界面相結(jié)合，開發(fā)出動態(tài)矩陣預(yù)測控制軟件，實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制算法的控制仿真。仿真結(jié)果證明，對于單輸入輸出的對象，基于對象階躍響應(yīng)模型的動態(tài)矩陣預(yù)測控制具有很好的控制效果。

關(guān)鍵詞：預(yù)測控制 動態(tài)矩陣控制 MATLAB 仿真

中圖分類號：TP202 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0023-02

DMC算法是一種基于對象階躍響應(yīng)的預(yù)測控制算法，它適用于漸進穩(wěn)定的線性對象。利用疊加原理通過滾動優(yōu)化確定控制量，并利用被控對象的實時測量信息進行誤差校正。首先，用MATLAB在單輸入單輸出系統(tǒng)中編寫動態(tài)矩陣預(yù)測控制算法的程序，驗證了算法的正確性；然后，用GUI的開發(fā)環(huán)境GUIDE實現(xiàn)界面開發(fā)；最后，將動態(tài)矩陣控制算法和GUI界面相結(jié)合，開發(fā)出動態(tài)矩陣預(yù)測控制軟件。本文以MATLAB和GUI作為仿真工具，編程實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制算法和GUI界面，實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制算法的控制仿真。

1 狀態(tài)反饋預(yù)測控制

動態(tài)矩陣控制是一種用被控對象的階躍響應(yīng)特性來描述系統(tǒng)動態(tài)模型的預(yù)測控制算法。它有算法簡單、計算量小，魯棒性較強等特點，近年來已在冶金、石油、化工等領(lǐng)域的過程控制中得到成功的應(yīng)用。動態(tài)矩陣控制基于系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，適用于穩(wěn)定的系統(tǒng)，系統(tǒng)的動態(tài)特性中具有純滯后或非最小相位特性都不影響該算法的直接應(yīng)用。因為直接以對象的階躍響應(yīng)離散系數(shù)為模型，避免了通常的傳遞函數(shù)或狀態(tài)空間模型參數(shù)的辨識問題。DMC算法是由預(yù)測，控制，校正三部分構(gòu)成的。

2 狀態(tài)反饋預(yù)測控制仿真軟件設(shè)計

2.1 動態(tài)矩陣控制的參數(shù)設(shè)計

動態(tài)矩陣控制算法中要設(shè)計的參數(shù)包括：（1）采樣周期T；（2）優(yōu)化時域長度P；（3）控制時域長度M；（4）誤差權(quán)矩陣Q；（5）控制權(quán)矩陣R；（6）誤差校正系數(shù)h。

由于它們與控制的快速性、穩(wěn)定性、魯棒性、抗干擾性等并沒有直接的解析關(guān)系可作為設(shè)計的定量依據(jù)。所以，對于一般的被控對象，DMC算法通常用湊試結(jié)合仿真的方法，對設(shè)計參數(shù)進行整定。本文主要以單入單出系統(tǒng)（SISO）為例，進行動態(tài)矩陣控制效果的仿真實驗。

2.2 SISO系統(tǒng)的動態(tài)矩陣控制仿真實現(xiàn)

2.2.1 一階系統(tǒng)仿真及功能演示

假定一階對象傳遞函數(shù)為：

可以采用動態(tài)矩陣預(yù)測控制算法。在仿真軟件中進行仿真演示，仿真結(jié)果如圖1所示。

再該一階系統(tǒng)中加入干擾，在軟件中進行仿真演示，其仿真結(jié)果如圖2所示。

2.2.2 二階系統(tǒng)仿真及功能演示

假定二階系統(tǒng)的模型如下：

可以采用動態(tài)矩陣預(yù)測控制算法。在仿真軟件中進行仿真演示，仿真結(jié)果如圖3所示。

二階系統(tǒng)加干擾的仿真結(jié)果如圖4所示。

3 結(jié)語

總之，本文以MATLAB和GUI作為仿真工具，編程實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制算法和GUI界面，實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制算法的控制仿真。仿真結(jié)果證明，對于單輸入輸出的對象，基于對象階躍響應(yīng)模型的動態(tài)矩陣預(yù)測控制具有很好的控制效果。動態(tài)矩陣控制仿真軟件可以選擇不同的控制參數(shù)和被控對象，顯示控制仿真曲線，充分展示了動態(tài)矩陣控制算法的功能和特點。

參考文獻

[1]單勝男，王書斌，羅雄麟.基于混沌粒子群優(yōu)化的約束狀態(tài)反饋預(yù)測控制算法[J].計算機與應(yīng)用化學(xué)，2012，29（1）：65-66.

[2]王宇紅，張娜娜.利用Matlab實現(xiàn)對基于Profibus過程實驗系統(tǒng)控制[J].自動化儀表，2011，32（10）：34-35.

[3]麻文斗，王詩宓.SISO動態(tài)矩陣控制的魯棒性[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，42（9）：78-79.

[4]齊維貴，朱學(xué)莉，等.動態(tài)矩陣控制的模型簡化與預(yù)報誤差校正[J].電子學(xué)報，2004，32（7）：89-90.

摘要：本文主要將動態(tài)矩陣控制算法和GUI界面相結(jié)合，開發(fā)出動態(tài)矩陣預(yù)測控制軟件，實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制算法的控制仿真。仿真結(jié)果證明，對于單輸入輸出的對象，基于對象階躍響應(yīng)模型的動態(tài)矩陣預(yù)測控制具有很好的控制效果。

關(guān)鍵詞：預(yù)測控制 動態(tài)矩陣控制 MATLAB 仿真

中圖分類號：TP202 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0023-02

DMC算法是一種基于對象階躍響應(yīng)的預(yù)測控制算法，它適用于漸進穩(wěn)定的線性對象。利用疊加原理通過滾動優(yōu)化確定控制量，并利用被控對象的實時測量信息進行誤差校正。首先，用MATLAB在單輸入單輸出系統(tǒng)中編寫動態(tài)矩陣預(yù)測控制算法的程序，驗證了算法的正確性；然后，用GUI的開發(fā)環(huán)境GUIDE實現(xiàn)界面開發(fā)；最后，將動態(tài)矩陣控制算法和GUI界面相結(jié)合，開發(fā)出動態(tài)矩陣預(yù)測控制軟件。本文以MATLAB和GUI作為仿真工具，編程實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制算法和GUI界面，實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制算法的控制仿真。

1 狀態(tài)反饋預(yù)測控制

動態(tài)矩陣控制是一種用被控對象的階躍響應(yīng)特性來描述系統(tǒng)動態(tài)模型的預(yù)測控制算法。它有算法簡單、計算量小，魯棒性較強等特點，近年來已在冶金、石油、化工等領(lǐng)域的過程控制中得到成功的應(yīng)用。動態(tài)矩陣控制基于系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，適用于穩(wěn)定的系統(tǒng)，系統(tǒng)的動態(tài)特性中具有純滯后或非最小相位特性都不影響該算法的直接應(yīng)用。因為直接以對象的階躍響應(yīng)離散系數(shù)為模型，避免了通常的傳遞函數(shù)或狀態(tài)空間模型參數(shù)的辨識問題。DMC算法是由預(yù)測，控制，校正三部分構(gòu)成的。

2 狀態(tài)反饋預(yù)測控制仿真軟件設(shè)計

2.1 動態(tài)矩陣控制的參數(shù)設(shè)計

動態(tài)矩陣控制算法中要設(shè)計的參數(shù)包括：（1）采樣周期T；（2）優(yōu)化時域長度P；（3）控制時域長度M；（4）誤差權(quán)矩陣Q；（5）控制權(quán)矩陣R；（6）誤差校正系數(shù)h。

由于它們與控制的快速性、穩(wěn)定性、魯棒性、抗干擾性等并沒有直接的解析關(guān)系可作為設(shè)計的定量依據(jù)。所以，對于一般的被控對象，DMC算法通常用湊試結(jié)合仿真的方法，對設(shè)計參數(shù)進行整定。本文主要以單入單出系統(tǒng)（SISO）為例，進行動態(tài)矩陣控制效果的仿真實驗。

2.2 SISO系統(tǒng)的動態(tài)矩陣控制仿真實現(xiàn)

2.2.1 一階系統(tǒng)仿真及功能演示

假定一階對象傳遞函數(shù)為：

可以采用動態(tài)矩陣預(yù)測控制算法。在仿真軟件中進行仿真演示，仿真結(jié)果如圖1所示。

再該一階系統(tǒng)中加入干擾，在軟件中進行仿真演示，其仿真結(jié)果如圖2所示。

2.2.2 二階系統(tǒng)仿真及功能演示

假定二階系統(tǒng)的模型如下：

可以采用動態(tài)矩陣預(yù)測控制算法。在仿真軟件中進行仿真演示，仿真結(jié)果如圖3所示。

二階系統(tǒng)加干擾的仿真結(jié)果如圖4所示。

3 結(jié)語

總之，本文以MATLAB和GUI作為仿真工具，編程實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制算法和GUI界面，實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制算法的控制仿真。仿真結(jié)果證明，對于單輸入輸出的對象，基于對象階躍響應(yīng)模型的動態(tài)矩陣預(yù)測控制具有很好的控制效果。動態(tài)矩陣控制仿真軟件可以選擇不同的控制參數(shù)和被控對象，顯示控制仿真曲線，充分展示了動態(tài)矩陣控制算法的功能和特點。

參考文獻

[1]單勝男，王書斌，羅雄麟.基于混沌粒子群優(yōu)化的約束狀態(tài)反饋預(yù)測控制算法[J].計算機與應(yīng)用化學(xué)，2012，29（1）：65-66.

[2]王宇紅，張娜娜.利用Matlab實現(xiàn)對基于Profibus過程實驗系統(tǒng)控制[J].自動化儀表，2011，32（10）：34-35.

[3]麻文斗，王詩宓.SISO動態(tài)矩陣控制的魯棒性[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，42（9）：78-79.

[4]齊維貴，朱學(xué)莉，等.動態(tài)矩陣控制的模型簡化與預(yù)報誤差校正[J].電子學(xué)報，2004，32（7）：89-90.