NMPC控制器的simulink实例及其代码

时间: 2023-10-04 12:12:15 浏览: 72
以下是一个基于Simulink的NMPC控制器实例,用于控制一个非线性水箱系统: 1. 建立非线性水箱系统的动态模型,包括水箱的液位和水流的动态方程。 ``` % Nonlinear Water Tank Model function [xdot, y] = NonlinearWaterTankModel(x, u, Ts) % System Parameters A1 = 0.5; A2 = 0.5; g = 9.81; % State Equations h1dot = (1/A1)*u - (1/A1)*sqrt(2*g)*sqrt(x(1)); h2dot = (1/A2)*sqrt(2*g)*sqrt(x(1)) - (1/A2)*sqrt(2*g)*sqrt(x(2)); % State Vector xdot = [h1dot; h2dot]; % Output Equation y = [x(1); x(2)]; end ``` 2. 将非线性动态模型转换为离散时间的状态空间模型,其中状态向量包括液位和水流。 ``` % Discretized State-Space Model sys = c2d(@(x,u) NonlinearWaterTankModel(x,u,Ts),Ts); A = sys.A; B = sys.B; C = sys.C; D = sys.D; ``` 3. 使用NMPC算法进行控制设计,生成MATLAB函数脚本。 ``` % Nonlinear MPC Controller import casadi.* % System Parameters A1 = 0.5; A2 = 0.5; g = 9.81; % Control Horizon N = 10; Ts = 0.1; % Prediction Horizon T = N*Ts; % State and Control Variables x = MX.sym('x',2); u = MX.sym('u'); % Initial State x0 = MX.sym('x0',2); % Reference Trajectory r = MX.sym('r',2); % Objective Function J = 0; % State Constraints g = []; % Control Constraints h = []; % NMPC Loop for k = 1:N % Construct the State Prediction xk = x; for j = 1:k xk = xk + Ts*(A*xk + B*u); end % Construct the Objective Function ek = xk - r; J = J + ek.'*ek; % Construct the State Constraints g = [g; xk(1) >= 0; xk(2) >= 0]; % Construct the Control Constraints h = [h; u >= 0.1; u <= 1]; end % Construct the NMPC Controller nlp = struct('x',vertcat(x,u),'f',J,'g',vertcat(g,h)); solver = nlpsol('solver','ipopt',nlp); % NMPC Function function [u, cost] = NonlinearMPC(x0,r) % Construct the NMPC Constraints args = struct; args.lbg = 0; args.ubg = 0; args.lbx = [-inf;-inf;0.1]; args.ubx = [inf;inf;1]; args.x0 = [x0;0.1]; args.p = r; % Solve the NMPC Problem res = solver(args); % Extract the Control Input u = full(res.x(end)); % Extract the Cost Function cost = full(res.f); end ``` 4. 在Simulink中导入NMPC控制器脚本,将其与非线性水箱系统模型进行集成。 <img src="https://img-blog.csdn.net/20160430144044456" width="600"> 其中,NMPC控制器的代码可以在MATLAB Function模块中实现。 5. 进行仿真实验,验证NMPC控制器的性能和鲁棒性。 以下是完整的Simulink模型和NMPC控制器的代码: Simulink模型: <img src="https://img-blog.csdn.net/20160430144106894" width="600"> NMPC控制器代码: ``` % Nonlinear MPC Controller import casadi.* % System Parameters A1 = 0.5; A2 = 0.5; g = 9.81; % Control Horizon N = 10; Ts = 0.1; % Prediction Horizon T = N*Ts; % State and Control Variables x = MX.sym('x',2); u = MX.sym('u'); % Initial State x0 = MX.sym('x0',2); % Reference Trajectory r = MX.sym('r',2); % Objective Function J = 0; % State Constraints g = []; % Control Constraints h = []; % NMPC Loop for k = 1:N % Construct the State Prediction xk = x; for j = 1:k xk = xk + Ts*(A*xk + B*u); end % Construct the Objective Function ek = xk - r; J = J + ek.'*ek; % Construct the State Constraints g = [g; xk(1) >= 0; xk(2) >= 0]; % Construct the Control Constraints h = [h; u >= 0.1; u <= 1]; end % Construct the NMPC Controller nlp = struct('x',vertcat(x,u),'f',J,'g',vertcat(g,h)); solver = nlpsol('solver','ipopt',nlp); % NMPC Function function [u, cost] = NonlinearMPC(x0,r) % Construct the NMPC Constraints args = struct; args.lbg = 0; args.ubg = 0; args.lbx = [-inf;-inf;0.1]; args.ubx = [inf;inf;1]; args.x0 = [x0;0.1]; args.p = r; % Solve the NMPC Problem res = solver(args); % Extract the Control Input u = full(res.x(end)); % Extract the Cost Function cost = full(res.f); end ```

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