[论文解读] Model Predictive Control (MPC) Applied To Coupled Tank Liquid Level System

Med. Essahafi|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2014

Advanced Control Systems Optimization被引用 10

一句话总结

本文提出了一种用于两级液位系统的模型预测控制（MPC）策略，将其建模为使用状态空间表示的多输入多输出（MIMO）系统。MPC控制器旨在在存在扰动的情况下调节两个水箱的液位，通过仿真展示了其在稳定性提升和扰动抑制方面的有效多变量控制性能。

ABSTRACT

Coupled Tank system used for liquid level control is a model of plant that has usually been used in industries especially chemical process industries. Level control is also very important for mixing reactant process. This survey paper tries to presents in a systemic way an approach predictive control strategy for a system that is similar to the process and is represented by two liquid tanks. This system of coupled Tank is one of the most commonly available systems representing a coupled Multiple Input Multiple Output (MIMO) system. With 2 inputs and 2 outputs, it is the most primitive form of a coupled multivariable system. Therefor the basic concept of how the coupled tanks system works is by using a numerical system which it operates with a flow control valve FCV as main control of the level of liquid in one tank or both tanks. For this paper, MPC algorithm control is used which will be developed below. And it is focuses on the design and modelling for coupled tanks system. The steps followed for the design of the controller are: Developing a state space system model for the coupled tank system then design an MPC controller for the developed system model. And study the effect of the disturbance on measured level output. Note that the implementation Model Predictive Controller on flow controller valve in a Coupled Tank liquid level system is one of the new methods of controlling liquid level.

研究动机与目标

• 为一种常见的工业MIMO过程模型——耦合水箱系统，开发一种系统化的控制策略。
• 为具有两个输入和两个输出的两级液位系统设计一种模型预测控制器（MPC）。
• 分析扰动对受控系统中测量液位输出的影响。
• 展示MPC在管理耦合的多变量液位动态方面的可行性与有效性。
• 为类似工业过程控制应用中的MPC实现提供基础框架。

提出的方法

• 基于每个水箱的质量平衡方程，建立耦合水箱系统的状态空间模型。
• 利用流体流动原理推导系统动态特性，包括进水与出水关系。
• 利用状态空间模型设计MPC控制器，以预测未来系统行为并优化控制动作。
• 采用移动时域优化方法实现MPC算法，以处理约束条件和多变量相互作用。
• 在各种扰动条件下仿真控制器性能，以评估其鲁棒性。
• 使用流量控制阀（FCV）作为主要执行器，调节两个水箱的液位。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效将模型预测控制（MPC）策略应用于两级液位系统这一典型的MIMO过程？
• RQ2 当使用MPC控制时，外部扰动对耦合水箱系统中液位输出有何影响？
• RQ3 MPC控制器如何在多变量耦合效应存在的情况下维持稳定性和性能？
• RQ4 在具有两个输入和两个输出的物理液位控制系统中实施MPC的关键设计考虑因素有哪些？
• RQ5 在该系统配置下，MPC是否能提供优于传统控制方法的扰动抑制性能？

主要发现

• MPC控制器在正常运行条件下成功调节了两个水箱的液位，展示了有效的多变量控制能力。
• 控制器表现出强大的扰动抑制能力，在外部扰动下仍能保持设定值跟踪。
• 状态空间模型准确地反映了耦合水箱系统的动态行为，为可靠MPC设计提供了支持。
• 仿真结果证实，MPC能够在保持系统稳定的同时处理输入和输出约束。
• 在流量控制阀上实现MPC，实现了对两个水箱液位的精确且协调的控制。
• 本研究证实，MPC是工业应用中耦合液位系统的一种可行且有效的控制策略。