${message}

Лианеризация моделей и разработка систем управления.

Simulink Control Design позволяет проектировать и анализировать системы управления смоделированные в Simulink. Возможна автоматическая настройка систем с SISO и MIMO архитектурами включая PID-регуляторы. Автоматическая настройка PID-регуляторов может быть перенесена в программное обеспечение для встраиваемых систем, с возможностью настройки коэффициентов PID в реальном времени.

С помощью инструмента можно точно линеаризовать систему в различных рабочих точках. С помощью Simulink Control Design можно вычислить частотный отклик системы, основанный на моделировании, без внесения изменений в саму модель.

Видео "Обзор возможностей Simulink Control Design" (англ.)

Ключевые особенности

  • Автоматическая настройка PID, коэффициента зависимых и произвольных систем управления SISO и MIMO в Simulink
  • Алгоритм автонастройки PID, развертываемый во встроенное программное обеспечение
  • Расчет рабочей точки (обрезка) и линеаризация модели
  • Оценка частотной характеристики по данным моделирования
  • Пакетная линеаризация для различных параметров и рабочих точек
  • Численная оптимизация компенсаторов для соответствия требованиям во временной и частотной областях (с Simulink Design Optimization)



Проектирование и анализ систем управления с Simulink Control Design. Система управления, смоделированная в Simulink (вверху), приложение PID Tuner (слева) и диаграмма Боде передаточной функции без обратной связи (справа)

Проектирование и настройка систем управления

Simulink Control Design обеспечивает системный подход к настройке систем управления, с использованием методов проектирования SISO и MIMO. Продукт поддерживает несколько подходов к управлению проектированием, включая автоматическую настройку ПИД-контроллеров, интерактивную настройку с использованием расположения корней передаточной функции и графиков Боде, а также автоматическую настройку децентрализованных архитектур MIMO.

Настройка ПИД-регуляторов

Simulink Control Design предоставляет возможности автоматической настройки ПИД-регуляторов. Есть два подхода к настройке регуляторов в Simulink:

  • Метод, основанный на передаточной функции системы
  • Метод, основанный на частотном отклике системы
Метод на основе передаточной функции выполняет начальную настройку блока Simulink PID Controller одним щелчком мыши. Продукт линеаризует модель Simulink для получения линейной модели объекта. Затем продукт использует линейную модель и собственный метод настройки для вычисления коэффициентов усиления ПИД-регулятора на основе требуемых вам качеств системы с обратной связью. Первоначально предлагается регулятор на основе анализа динамики вашей системы. Затем вы можете интерактивно настроить время отклика и переходные процессы в приложении PID Tuner. Приложение PID Tuner также предоставляет несколько графиков, которые можно использовать для анализа поведения контроллера. Например, график реакция на ступеньку и график Боде для разомкнутой системы используются чтобы сравнить качество системы с текущими настройками и качество системы с начальными настройками.
Метод настройки по передаточной функции основывается на линейной параметрической модели объекта. В случае отсутствия возможности линеаризовать модель, как в случае с ШИМ, возможна линеаризация с использованием данных входа и выхода из модели Simulink (необходим System Identification Toolbox).

Видео "ПИД-контроллер для DC мотора" (англ.)
Разработка ПИД-регулятора для двигателя постоянного тока, смоделированного в Simulink. Создание замкнутой системы с ПИД-регулятором, затем настройка блока ПИД-регулятора с помощью PID Tuner


Видео "Настройка ПИД-контроллера для системы с разрывами" (англ.)
Разработка ПИД-регулятора модели которая не может быть линеаризована. Использование идентификации объекта с помощью входных выходных данных из модели в Simulink


В качестве альтернативы может быть применен метод, основанный на частотном отклике системы. Данный метод вычисляет точки частотного отклика системы из данных моделирования и использует их при настройке коэффициентов ПИД-регулятора.

Видео "Настройка ПИД-контроллера для понижающего преобразователя" (англ.)
Использование метода настройки ПИД-контроллера по частотному отклику системы которая не может быть линеаризована из-за наличия ШИМ


Настройка SISO

Simulink Control Design предоставляет  приложение Control System Designer для настройки SISO контуров управления напрямую из Simulink используя графический интерфейс и автоматизированные возможности настройки из  Control System Toolbox™.
Настраиваемые блоки Simulink включают Усилители, Передаточные функции, Полюса-Нули, Пространства состояний и ПИД. Simulink Control Design автоматически выбирает подходящие контуры управления для блоков и запускает преднастроенное приложение Control System Designer.

Control System Designer используется для:


  • Графической настройки нескольких, непрерывных или дискретных контуров SISO
  • Наблюдения петель взаимодействия и эффектов связи при настройке параметров
  • Вычисления конструкции компенсатора с использованием систематических алгоритмов проектирования, таких как ПИД-настройка Robust Response Time, настройка ПИД-регулятора Циглера-Николса, проектирование IMC или проектирование LQG
  • Оптимизации контуров управления для соответствия требованиям проектирования во временной и частотной областях (требуется Simulink Design Optimization)
  • Непосредственной настройки параметров блока Simulink, включая усиление ПИД-регулятора, представления усиления с полюсами-нулями и маскированных блоков
  • Изучения реакции с обратной связью таких как эталонная траектория или способность системы управления отклонять помехи в любой части модели
  • Записи настроенных значений параметров обратно в модель Simulink для проверки с полной нелинейной системой
В дополнение к Control System Designer можно использовать Control System Tuner  для настройки SISO смоделированных в Simulink. Control System Turner  автоматически настраивает параметры регуляторов для удовлетворения требований системы в частотной и временной областях.

Оптимизация многоконтурной системы управления для одновременного удовлетворения требований в частотной области (вверху) и требований во временной области (внизу)


Настройка MIMO

Simulink Control Design позволяет настраивать децентрализованные контроллеры смоделированные в Simulink используя приложение Control System Tuner. С его помощью автоматически вычисляется линеаризованная модель, которая может быть сохранена. Simulink Control Design автоматически создаёт настраиваемую структуру системы управления указанную в Simulink.

Для этого:

  • Укажите блоки модели Simulink, которые должны быть настроены
  • Укажите требования к настройке
  • Автоматически настройте указанные блоки для удовлетворения обязательных требований (проектных ограничений) и наилучшего удовлетворения оставшихся требований (целей)
  • Подтвердите свою настройку, запустив нелинейное моделирование
Используя данный подход можно автоматически настраивать комплексные многопеременные системы управления, которые смоделированы с использованием блоков Simulink.
Видео "Автоматическая настройка многопеременной системы (Дистиляционная колонная)" (англ.)
Создание разделенных контроллеров для дистилляционной колонны в Simulink Control Design

Настройка коэффициенто-управляемых систем

Управление усилением — это линейный метод управления нелинейными или изменяющимися во времени системами. Он включает в себя вычисление линейных приближений объекта при различных условиях работы, настройку коэффициента усиления регулятора в рабочем режиме и управление коэффициентом усиления регулятора при изменении условий работы объекта. Simulink Control Design предоставляет инструменты для автоматического расчета графиков усиления для систем управления с фиксированной структурой. С помощью инструмента возможно:


  • Автоматически обрезать и линеаризовать модель Simulink при различных условиях эксплуатации
  • Параметризовать зависимость усиления контроллера как функции переменных
  • Построить модель с линейным изменением параметров (LPV), представляющую систему во всем ее рабочем диапазоне
  • Указать требования к настройке, такие как отслеживание и подавление возмущения
  • Автоматически настроить коэффициент усиления для удовлетворения требований настройки при любых условиях эксплуатации
  • Обновить параметры функциональных блоков Simulink Lookup Table, Interpolation или MATLAB, реализующих контроллер с настроенными значениями усиления

  • Настройка трехконтурного автопилота с управляемым усилением (рус.)

Автонастройка ПИД-регуляторов во встраиваемом ПО

Simulink Control Design позволяет производить настройку регулятора ПИД в онлайн.
С помощью этого блока можно настроить регулятор на нужную полосу пропускания и запас по фазе без использования параметрической модели объекта и начальных настроек для контроллера. Блок автоматически собирает входные и выходные данные с объекта и проводит идентификацию динамики системы. Алгоритм спроектирован для работы с асимптотически стабильными объектами, но не требует модели динамики объекта.

Блок Online Pid Tuner для настройки без модели объекта делает следующее:

  • Открывает контур обратной связи и вводит тестовый сигнал в установку в номинальной рабочей точке для сбора данных ввода-вывода установки в режиме реального времени. Цикл обратной связи замкнут в конце эксперимента.
  • Настраивает усиление ПИД-регулятора на основе частотной характеристики, оцениваемой по данным ввода-вывода, для достижения желаемой ширины полосы и фазового запаса.
  • Обновляет блок ПИД-регулятора или другие ПИД-регуляторы с настроенными параметрами, позволяющими проверять работу с обратной связью в режиме реального времени.
При настройке можно задать форму тестового сигнала (синус или ступенька), триггеры для старта и остановки процесса настройки.
С помощью Simulink Coder можно сгенерировать С код для алгоритма настройки и использовать его в встраиваемой системе, что позволит проводить настройки с Simulink или без него. Для встраиваемой системы алгоритм автонастройки должен использоваться с осторожностью, а система должна иметь защиты от нестабильного поведения.

В дополнение можно использовать Online PID Tuner для настройки при прототипировании, когда система управления работает на целевом устройстве в режиме External Mode, например с использованием Simulink Real-Time  или при запуске на Arduino или других LowCost платформах.
При использовании внешнего режима Simulink можно выбрать генерацию кода только для той части алгоритма, которая проводит эксперимент с разомкнутым контуром и оценивает частотную характеристику установки. Вычисление коэффициента усиления PID, интенсивно использующего память, можно запустить на главном компьютере. Используя внешний режим, также можно в интерактивном режиме управлять запуском и остановкой эксперимента и сохранять вычисленные значения ПИД-регулирования в рабочем пространстве MATLAB.

Видео "Автоматическая настройка ПИД" (англ.)
Перенос алгоритма автонастройки во встраиваемое ПО. Запуск автонастройки на реальном железе для автоматического вычисления настроек ПИД

Обрезка и линеаризация моделей Simulink

Обрезка моделей

При синтезе линейного управления нужно учесть множество рабочих точек для описания нелинейной модели объекта. Simulink Control Design предоставляет графический интерфейс для определения рабочих точек системы, с помощью которого можно:

Полученные рабочие точки можно использовать для инициализации начальных значений системы при симуляции или как базис для линеаризации модели и синтеза управления.

Видео "Обрезка, линеаризация и синтез управления для самолета" (англ.)
Линеаризация нелинейной модели и использование линейной модели для синтеза управления  тангажем


Линеаризация моделей

С помощью Simulink Control Design можно линеаризовать непрерывные, дискретные и многоскоростные  модели Simulink. Используя графические обозначения сигналов для разрыва цепи обратной связи и точек входа-выхода при линеаризации можно линеаризовать как всю модель так и ее часть или отдельный блок. Обозначения сигналов и анализ системы не влияют на поведение системы при моделировании.

Simulink Control Design автоматически вычисляет линеаризованную модель и позволяет представить результаты в виде реакции на ступеньку либо диаграммы Бодэ. С помощью Linearization Advisor можно оценить влияние каждого блока модели на линеаризацию и устранить ошибки. Также можно до настроить линеаризацию системы указав линейные свойства для каждого блока в модели. Линейное поведение может быть задано как матричное усиление или модель LTI, что дает возможность линеаризовать модели Simulink, содержащие разрывы или компоненты на основе событий, такие как диаграммы Stateflow или системы на основе сигналов PWM.

При работе с Robust Control Toolbox можно вычислить неточную линейную модель указав недостающие значения передаточных функций и усилений прямо в модели. Такая модель позволит исследованность влияние неточностей на стабильность и производительность системы управления.

Все инструменты имеют API доступные из командной строки для написания скриптов по автоматизации процесса линеаризации моделей. Есть возможность писать скрипт самому или сгенерировать MATLAB функцию прямо из графического интерфейса инструмента. Можно использовать обрезку и линеаризацию в пакетном режиме для вычисления линейной аппроксимации модели Simulink в диапазоне значений параметров установки или контроллера. Например, можно линеаризовать систему при нескольких значениях коэффициентов объекта, коэффициентов усиления контроллера или времени выборки контроллера.

Видео "Автоматизированная обрезка и линеаризация модели" (англ.)
Создание скрипта для обрезки и линеаризации модели Simulink

Вычисление частотного отклика модели

Simulink Control Design предоставляет инструменты для вычисления частотных характеристик модели на основе симуляций.

Можно использовать эти инструменты для:

  • Проверки результатов линеаризации
  • Вычисления частотной характеристики модели, когда методы линеаризации не подходят, например, с моделями, описываемыми сильными разрывами или динамикой на основе событий
  • Исследования влияния амплитуды сигнала возбуждения на коэффициенты усиления и фазовые характеристики нелинейной системы

Simulink Control Design помогает создавать сигналы для возбуждения, такие как вариации синуса или шумовой сигнал, запускать симуляции, собирать данные, вычислять и строить частотный отклик системы. Алгоритмы, используемые для вычисления частотного отклика, предназначены для минимизации времени моделирования и поддержки режимов ускорителя и быстрого ускорителя в Simulink для ускорения общего вычисления.

Видео "Вычисление частотного отклика" (англ.)
Вычисление частотного отклика модели Simulink посредством симуляции


Поделиться

Задать вопрос

*
Настоящим в соответствии с Федеральным законом № 152-ФЗ «О персональных данных» от 27.07.2006, отправляя данную форму, вы подтверждаете свое согласие на обработку персональных данных . Мы, ООО ЦИТМ "Экспонента" и аффилированные к нему лица, гарантируем конфиденциальность получаемой нами информации. Обработка персональных данных осуществляется в целях эффективного исполнения заказов, договоров и пр. в соответствии с «Политикой конфиденциальности персональных данных». * - обязательные поля