基于模型预测控制的主蒸汽温度单步预测MATLAB实现
一、核心算法框架
主蒸汽温度预测控制采用**模型预测控制（MPC）**框架，包含以下关键模块：
- 动态模型：描述温度系统动态特性
- 滚动优化：单步预测与控制量求解
- 约束处理：温度/流量限制
二、MATLAB代码实现（分步详解）
1. 系统建模（导前区+惰性区）
% 定义传递函数模型（导前区+惰性区）
num_lead = [0.5 1]; % 导前区传递函数分子
den_lead = [1 2 1]; % 导前区分母
G_lead = tf(num_lead, den_lead);num_lag = [1]; % 惰性区分子
den_lag = [1 3 2]; % 惰性区分母
G_lag = tf(num_lag, den_lag);% 构建级联系统模型
sys = series(G_lead, G_lag);
2. MPC控制器配置
% 创建MPC对象
mpcobj = mpc(sys, 0.1, 1, 1); % 采样时间0.1s，预测时域1，控制时域1% 设置权重矩阵
mpcobj.Weights.ManipulatedVariables = 0.5; % 控制量权重
mpcobj.Weights.OutputVariables = 1; % 温度跟踪权重% 定义约束条件
mpcobj.ManipulatedVariables.Min = -0.2; % 减温水流量下限
mpcobj.ManipulatedVariables.Max = 0.2; % 减温水流量上限
mpcobj.OutputVariables.Min = 530; % 温度下限(℃)
mpcobj.OutputVariables.Max = 550; % 温度上限(℃)
3. 单步预测控制
% 初始状态
x0 = [540; 0.1]; % 初始温度540℃，初始减温水流量0.1 kg/s% 参考轨迹（设定值）
ref = 545; % 目标温度545℃% 创建预测输入序列
u = sim(mpcobj, 1, x0, ref); % 单步预测输出
4. 闭环仿真验证
% 仿真参数
Tf = 10; % 仿真时长10秒
N = Tf/mpcobj.Ts; % 总步数% 初始化变量
T = zeros(1,N);
u_hist = zeros(1,N);% 闭环仿真循环
for k = 1:N% 当前状态x = [T(k); u_hist(k)];% 执行单步预测控制u = sim(mpcobj, 1, x, ref);% 更新温度模型T(k+1) = lsim(sys, u, 0:0.1:1, x(1));% 记录控制量u_hist(k) = u;
end% 绘图分析
figure;
subplot(2,1,1);
plot(0:0.1:Tf, T, 'b', 0:0.1:Tf, ref*ones(1,N+1), 'r--');
xlabel('时间(s)'); ylabel('温度(℃)');
legend('实际温度', '设定值');subplot(2,1,2);
stem(0:N-1, u_hist, 'filled');
xlabel('时间步'); ylabel('减温水流量(kg/s)');
三、关键参数优化策略
-
模型辨识：使用
n4sid或ssest进行系统辨识data = iddata(y,u,0.1); % 输入输出数据 sys = n4sid(data, 2); % 2阶状态空间模型 -
鲁棒性增强：
mpcobj.Optimizer.CustomSolver = 'quadprog'; % 使用二次规划求解器 mpcobj.Optimizer.Options.Algorithm = 'interior-point'; // 内点法 -
前馈补偿：
mpcobj.FeedbackFeedforward = 'on'; % 启用前馈控制
参考文献
[1] 王海涛. 火电机组主蒸汽温度预测控制研究[J]. 动力工程学报, 2022.
[2] MATLAB官方文档: Model Predictive Control Toolbox mathworks.com/help/mpc/
[3] 参考代码 预测控制主蒸汽温度实现单步预测 youwenfan.com/contentcsc/83946.html
[4] 王伟等. 基于MPC的火电厂热工过程优化控制[M]. 科学出版社, 2021.