动态矩阵控制算法(DMC)

动态矩阵算法在水箱液位控制中的应用引言：在工业生产和日常生活中，对于水箱液位控制的控制精度和稳定性要求越来越高。

水箱液位的控制算法起着至关重要的作用。

动态矩阵控制（Dynamic Matrix Control，DMC）算法是一种常用于过程控制的先进控制方法。

本文将探讨动态矩阵算法在水箱液位控制中的应用，包括算法原理、控制系统建模、控制器设计和实验验证等方面。

一、算法原理动态矩阵控制算法是一种模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）方法，它基于离散时间多步骤预测模型。

其核心思想是通过对系统动态行为进行建模和预测，计算出最优控制方案，并根据实际反馈信息进行修正，以实现对系统的良好控制效果。

动态矩阵控制算法的基本步骤如下：1.系统建模：根据水箱液位控制过程的特点，建立系统的动态模型。

通常使用一阶惯性模型或一阶延迟模型来描述水箱液位的动态响应。

2.输入输出数据采集：通过传感器采集水箱液位和控制输入的数据，并对其进行离散化处理，使其适用于动态矩阵控制算法。

3.控制器设计：根据系统模型和控制目标，设计最优控制律。

动态矩阵算法主要包括预测模型、目标函数、约束条件等。

4.控制信号计算：基于当前的状态和控制输入的历史记录，使用动态矩阵算法计算出最优的控制信号。

5.控制执行：将计算得到的控制信号应用于实际控制系统中，调节水箱液位，并实时监控液位变化。

6.实时修正：根据实际反馈信息，对控制器中的参数进行修正，以提高控制效果和稳定性。

以上过程循环迭代，以不断调整控制信号，最终实现对水箱液位的精确控制。

二、控制系统建模在水箱液位控制中，我们需要对系统进行建模，以便进行后续的控制器设计和仿真。

通常采用一阶惯性模型或一阶延迟模型来描述水箱液位的动态响应。

一阶惯性模型：首先，假设水箱的液位变化满足一阶惯性动态方程：T * dH(t)/dt = k * (u(t) - H(t))其中，H(t)表示液位，u(t)表示输入控制信号，k表示液位变化的比例系数，T表示液位响应的时间常数。

动态矩阵在网络延迟补偿中的研究摘要：在解决网络控制系统延迟问题时还要考虑在信号突变的情况下，会产生较大的延迟现象，从而使整个控制系统不稳定，网络控制系统的性能也会下降。

而解决网络延迟的模型算法要考虑到这种突发的现象，所以本文研究引入动态矩阵补偿算法，对网络延迟进行条件补偿，从而解决网络控制系统中的网络延迟问题。

关键词：补偿；动态矩阵中图分类号：tp393.08动态矩阵控制算法dmc（dynamic matrix control）是一种具有约束、多变量优化的控制算法，一般是基于阶跃响应模型，该算法模型的特点是算法简单、计算量较小、鲁棒性较强等特点，对于网络控制系统的开环渐进稳定和响应滞后等特性都有较好的处理方式，非常适用于解决网络控制系统中存在的网络延迟的问题。

dmc在解决网络控制系统中网络延迟问题时，采用的模型思想是：首先，对延迟模型进行预测。

其次，根据修正值进行校正反馈。

最后，根据修正结果进行滚动优化。

在模型的输入端采集到的样本信号是被控对象的阶跃离散信号，对样本信号进行动态优化，在输出端采集到的是整个dmc优化响应后的预测模型输出序列，具体输出序列如公式（1）所示。

ym（k+1）=y0（k+1）+a△u（k）（1）应满足条件（2）：（2）由于整个模型的计算误差和系统性能干扰等影响，输出值需要进行校正反馈验证，验证后实现闭环预测。

经过反馈校正后，输出端输出结果如公式（3）所示：yp（k+1）=ym（k+1）+a0（y（k）-ym（k））（3）可以根据实际情况进行适当的优化取值。

采用dmc模型进行优化，采用的是滚动优化的方式，其优化结果用向量表示为公式（4）：j=||yr（k+1）-yp（k+1）||q2+||△u（k）||r2 （4）进行化简得公式（5）：△u（k）=（atqa+r）-1atq[yr（k+1）-yp（k+1）] （5）公式（5）中的△u（k）就是在k时刻，经过dmc模型优化后的最优延迟补偿增量。

动态矩阵控制的稀土萃取优化控制平台董云彪鞍山市自来水总公司动态矩阵控制（ｄｙｎａｍｉｃｍａｔｒｉｘｃｏｎｔｒｏｌ，ＤＭＣ）算法是一种基于对象阶跃响应预测模型、滚动实施并结合反馈校正的优化控制算法，是预测控制算法之一，由卡特勒等于１９８０年提出。

ＤＭＣ算法适用于渐进稳定的线性对象。

由于该算法比较简单，计算量比较小，鲁棒性强，近年来已在冶金、石油、化工等工业过程控制中得到十分成功的应用。

工业过程控制通常是由许多互相作用的变量组成的多输入多输出（ＭＩＭＯ）系统，而常规的ＤＭＣ算法是基于单输入单输出（ＳＩＳＯ）系统的。

因此，许多学者自然地将其推广到了多输入多输出（ＭＩＭＯ）系统。

并取得了许多重要的成果：有采用将单变量ＤＭＣ算法直接推广到多变量系统的ＭＤＭＣ方法；有通过变量之间关联预测设计，建立在解耦基础上的多变量ＤＭＣ方法等。

余世明等针对多变量有约束的ＤＭＣ问题，以输出预测值于未来参考轨迹序列误差的绝对值之和作为性能指标，通过线性化处理使其转换化为目的规划问题从而使在线滚动优化变得异常容易，并可充分利用全部操作变量优化系统的动态性能。

查星宇等针对工业现场犹豫条件的限制，很多过程变量所需的检测频率不一样的情况，提出了一种新的多频率多变量ＤＭＣ算法，并且进一步用ＤＭＣ方法推导多频多变量系统的预测方程、最优控制律及系统的内膜结构。

牛玉翔等针对高温力学材料试验机加热炉两通道相互耦合的问题，提出了多变量预测前馈补偿解耦ＤＭＣ算法，并用线性时不变原理把该算法中需求解得２Ｍ元线性方程转化为只需求解二元一次方程组问题，使计算量大为减少。

针对实际多变量预测控制算法中存在的离线计算复杂、实时性较差等问题，金福江用大系统关联估计的思想。

提出了基于关联估计的递阶多变量动态矩阵控制算法，并将该算法应用于造纸机中，取得了较好的控制效果。

相对于传统的最优控制，ＤＭＣ则采用了启发式优化的概念，允许设计者自由地选择优化性能指标的形式以及控制器参数。

一、前言工业生产的过程是复杂的，建立起来的模型也是不完善的。

即使是理论非常复杂的现代控制理论，其效果也往往不尽人意，甚至在一些方面还不及传统的PID控制。

20世纪70年代，人们除了加强对生产过程的建模、系统辨识、自适应控制等方面的研究外，开始打破传统的控制思想，试图面向工业开发出一种对各种模型要求低、在线计算方便、控制综合效果好的新型算法。

在这样的背景下，预测控制的一种，也就是动态矩阵控制（DMC）首先在法国的工业控制中得到应用。

因此预测控制不是某种统一理论的产物，而是在工业实践中逐渐发展起来的。

预测控制中比较常见的三种算法是模型算法控制（MAC），动态矩阵控制（DMC）以及广义预测控制。

本篇所采用的是动态矩阵控制，其采用增量算法，因此在消除稳态余差方面非常有效。

二、控制系统设计方案2.1 控制系统方案设计图动态矩阵控制是基于系统阶跃响应模型的算法，隶属于预测控制的范畴。

它的原理结构图如下图(1)所示：图(1) 预测控制原理结构图上图就是预测控制原理结构图，从图中我们可以看到，预测控制的主要特点。

即建立预测模型；采用滚动优化策略，采用模型误差反馈矫正。

这也是预测控制的本质所在。

下面将对这三个特点一一说明。

2.2 预测控制基本原理1、预测模型：预测模型的功能是根据对象历史信息和未来输入对对象输出进行预测，它是被控对象的准确模型。

这里只强调模型的功能而不强调其结构形式。

因此，预测模型可以是状态方程、传递函数等传统的参数模型，对于线性稳定对象，阶跃响应、脉冲响应这类非参数模型也可以作为预测模型使用。

预测模型具有展示系统未来动态行为的功能，这样，就可以利用预测模型来预测未来时刻被控对象的输出变化及被控变量与其给定值的偏差，作为控制作用的依据，使之适应动态系统所具有的因果性的特点，得到比常规控制更好的控制效果。

2、滚动优化：预测控制是一种优化控制算法，它是通过某一性能指标的最优来确定未来的控制作用。

这一性能指标涉及到系统未来的行为。

动态矩阵控制算法
动态矩阵控制算法是一种用于控制系统的先进控制算法，它采用了矩阵的表示和演化方法。

其主要思想是将系统的状态和控制输入表示为矩阵，通过矩阵运算和演化来实现对系统的控制。

动态矩阵控制算法的核心思想是通过不断更新和演化控制矩阵来适应系统的变化。

它根据系统的反馈信息和目标要求，利用矩阵运算和优化算法来计算出最优的控制矩阵。

然后将该控制矩阵应用于系统中，以实现对系统的控制。

动态矩阵控制算法具有以下特点：
1. 矩阵表示：将系统的状态和控制输入表示为矩阵，方便进行矩阵运算和演化。

2. 自适应性：通过不断更新和演化控制矩阵，能够适应系统的变化和环境的变化。

3. 优化算法：利用优化算法来求解最优的控制矩阵，以满足系统的要求。

4. 实时性：动态矩阵控制算法能够在实时性要求较高的控制系统中应用，实现对系统的准确控制。

除了以上特点，动态矩阵控制算法还可以根据具体的系统和应用场景进行扩展和改进。

它在工业自动化、机器人控制、智能交通等领域具有广泛的应用前景。

安徽大学本科毕业论文（设计）（内封面）题目：预测控制中动态矩阵控制DMC算法研究学生姓名：张汪兵学号：P4*******院（系）：电子科学与技术学院专业：自动化入学时间：2006年9月导师姓名：张倩职称/学位：硕士导师所在单位：安徽大学电子科学与技术学院预测控制中动态矩阵控制DMC算法研究及仿真摘要：动态矩阵控制（dynamic matrix control, DMC）算法是一种基于对象阶跃响应预测模型、滚动实施并结合反馈校正的优化控制算法，是预测控制算法之一。

本文阐述了预测控制的产生、发展及应用，进一步介绍动态矩阵控制算法的产生和现状，就当前动态矩阵控制算法在实际工业控制领域中发展应用现状以及今后可能的研究发展方向作了分析。

并对动态矩阵控制的算法作了推导，在理论依据方面给予证明。

可是在实际工业控制领域中，大多数被控对象都是多变量的，本文通过对该算法作了有约束、多变量两方面的改进，使该算法实际应用性更强。

文章还对该算法进行了 matlab 仿真，并对仿真结果进行分析研究，予以验证。

关键词：预测，动态矩阵控制，模型，反馈矫正，有约束，多变量。

Forecast for control of Dynamic Matrix Control DMCalgorithmAbstractDynamic Matrix Control (dynamic matrix control, DMC) algorithm is a step response based on the object prediction model, and rolling implementation and optimization of the feedback correction control algorithm, is one of predictive control algorithms. This paper describes the control forecast the rise, development and application of further information on Dynamic Matrix Control algorithm and the formation of the status quo on the current dynamic matrix control algorithm in the actual control in the field of industrial development and possible future application of the research and development direction of an analysis. Dynamic Matrix Control and the algorithm is derived, in terms of the theoretical basis for that. But in practice in the field of industrial control, the majority of objects are charged with multiple variables, the paper through the binding of the algorithm, two more variables in the promotion and improvement of the algorithm so that a more practical application. The article also has the algorithm matlab simulation, and analysis of simulation results to be verified.Key words: forecasting; dynamic matrix control; model; feedback correction; binding; multivariable第一章. 绪论1.1预测控制的产生预测控制的产生，并不是理论发展的需要，而首先是工业实践向控制提出的挑战。

基于MATLAB多变量DMC算法的仿真技术研究摘要:利用MATLAB开发系统的仿真程序,以试验室的CSTR模型为研究对象,用动态矩阵控制算法建立仿真模型,实现多输入多输出系统的控制,绘制出调节曲线,分析各个参数对系统性能的影响。

结果表明,该控制算法得到较好的控制效果。

关键词:机理建模动态矩阵控制(DMC) CSTR系统过程控制在工业生产中广泛应用着各种反应器,连续搅拌反应是非常重要的反应过程,能代表许多反应系统的特性。

同时,连续搅拌反应器(CSTR)模型比其他连续反应器类型简单。

控制系统大多为多变量控制,各被控量与输出量之间有紧密的联系,而且被动对象有较大的时间滞后,PID算法不能达到控制要求。

1 连续搅拌反应器及其数学模型1.1 CSTR过程分析用连续搅拌反应器实现冷热水混合,Q1、Q2、T1、T2分别为热水和冷水的流量及温度。

温度、液位具有较强的耦合性,冷水、热水分别流入冷热水的水槽,进入混和器进行混合。

控制进水电磁阀的开度,调节温度和液位。

1.2 机理建模建模是基于以下假设:(1)1号容器和2号容器中的液体为同种液体;(2)3号容器中的冷热液体混合均匀。

根据物料守恒定律(见式1):根据能量守衡定律:3号容器中液体单位时间内热量的变化率应等于1号容器和2号容器单位时间内带入的热量,减去3号容器流出液体带走的热量,见式(5):2 动态矩阵控制动态矩阵控制(DMC)是预测控制的一种。

DMC算法以系统的的阶跃响应模型作为内部模型,适用于渐进稳定的线性对象。

对于非线性对象,可以在工作点处线性化,包括模型预测控制、滚动优化和反馈校正等技术方法。

2.1 控制器设计温度和液位具有较强的耦合性,而且有较长的时间滞后。

因此,对温度和液位的控制通常采用DMC预测控制算法,得到的控制量不直接加到控制对象上,而是把由液位偏差经DMC算法得到的控制量作为控制注入水的流量,把由温度偏差经DMC算法得到的控制量作为控制注入水量的参考值。

动态矩阵控制（DMC ）的简单理解及其⽰例⽂章结构前⾔在模型预测控制的课程当中接触到了动态矩阵控制（DMC）算法，虽然不会在以后继续深⼊，但它控制、预测和校正的思想还是可圈可点的。

本⽂将简要概述DMC的基本原理和控制流程，尽量做到省去复杂的数学公式⽽理解DMC。

但由于接触不深且实⼒有限，本⽂的表述可能会有⼀些不准确或者错误，因此仅供参考，同时欢迎⼤家指正。

DMC 的基本思想动态矩阵控制（DMC）是在上世纪80年代提出的⼀种典型的模型预测控制（MPC）⽅法。

虽然在今天它已经不再是MPC的研究关注点，但其思想却⾮常值得借鉴，因此⼏乎所有的模型预测控制教材都把DMC作为⼀部分来讲解。

概括来说，DMC的特点主要有：1. 控制与系统的数学模型⽆关，仅需获取系统的阶跃响应序列，⽅法适⽤于稳定的系统；2. 系统的动态特性中具有纯滞后或⾮最⼩相位特性都不影响算法的直接应⽤。

也就是说，使⽤DMC⽆需知道被控对象的数学模型，只需要获取被控对象的阶跃响应序列即可实现控制效果，但需要被控对象是渐进稳定的。

同时，即使被控对象有⼀定的纯滞后特性，或者是⾮最⼩相位的（对象传递函数的零点存在于S域右半平⾯）都不影响DMC的使⽤。

从上⾯的特性可以，DMC的应⽤范围是⽐较⼴泛的。

接下来就简单地谈⼀谈DMC的三要素，既预测模型、滚动优化和反馈校正。

预测模型DMC的使⽤需要建⽴在预测模型的基础上。

简单来说就是，DMC控制器希望通过已有信息构造未来若⼲时刻的系统输⼊并预测系统的输出。

那么要如何实现呢？可⾏的⽅案之⼀是使⽤系统的阶跃响应序列。

由线性时不变（LTI）系统具备的⽐例叠加性质可知，在已知从0开始的系统N个采样点上的阶跃响应序列的情况下，系统在k时刻对未来P个时刻的输出预测可由系统在k时刻的输出预测初值与M个连续的输⼊增量序列及由阶跃响应序列组成的动态矩阵A计算得到，其计算表达式如下：其中N称为截断步长，P称为预测步长，M称为控制步长，它们三者之间的⼤⼩关系⼀般为N > P > M > 0。