Control System Toolbox

主要特性

  • 线性系统的传递函数、状态空间、零极点增益和频率响应模型
  • 线性模型的串联、并联、反馈连接和一般框图连接
  • 用于分析稳定性和性能指标的阶跃响应、奈奎斯特图以及其他时域和频域工具
  • 根轨迹图、波特图、LQR、LQG 及其他经典工具和状态空间控制系统设计方法
  • 自动 PID 控制器调节
  • 模型表示方式转换、连续时间模型离散化和高阶系统的低阶近似
  • 针对精确度和性能而优化的 LAPACK 和 SLICOT 算法
Control System Tuning app for interactively analyzing, designing and tuning controllers.

Control System Designer 应用程序(上)让您可以通过交互方式分析、设计和调优控 制器。可用的工具包括根轨迹图、波特图和阶跃响应图(底部)。

分析和设计控制系统

线性控制技术是控制系统设计和分析的基础。Control System Toolbox 可帮助您创建和操作控制系统的线性模型。使用交互式绘图,您可以分析这些模型,深入了解控制系统的 行为、性能和限制。您还可以使用单入/单出 (SISO) 和多入/多出 (MIMO) 设计方法, 系统地调节控制系统参数。

Control System Toolbox 生成的线性模型可用于其他控制设计产品,如 Robust Control Toolbox™Model Predictive Control Toolbox™。您可以使用 Simulink Control Design™ 搭配 Control System Toolbox,在 Simulink 中进行控制系统设计和分析。

通过 PID Tuner GUI,调节由方程式定义的 PID 控制器 C。

通过 PID Tuner 应用程序,调优由方程式定义的 PID 控制器 C。您可以自动计算 初始设计,然后以交互方式调节响应时间,重新计算 PID 增益。

创建和操作线性模型

Control System Toolbox 可帮助您创建和操作作为对象的系统线性模型。支持所有的标准模型表示形式,包括传递函数、零极点增益、显式和描述器状态空间以及频率响应数据。线性模型可以是 SISO 或 MIMO、连续或离散的。您可以将 PID 控制器表示为 PID 对象。而且,您还可以对带有时间延迟的系统进行精确建模和仿真,包括系统的反馈回路有延迟的情况。

Control System Toolbox 提供的命令用于:

  • 对线性模型进行算术运算
  • 通过简单模型的串联、并联或反馈连接,构建复杂的框图,
  • 对连续时间模型进行离散化处理,
  • 对高阶模型进行低阶的近似计算,

构建受控对象的线性模型通常是设计控制系统的第一步。如果尚无可用的线性模型, 可利用 System Identification Toolbox™ 通过拟合测试数据构建一个线性模型,或使用 Simulink Control Design线性化一个 Simulink 模型。一旦创建了线性模型,便可使用 Control System Toolbox 分析该模型并设计控制器。

用于创建和分析反馈回路的 MATLAB 代码。

用于创建和分析带有控制器 C 和受控对象模型 G 的反馈回路的 MATLAB® 代码。 受控对象模型被描述为第一阶传递函数,延迟时间为 T 秒。

分析模型

Control System Toolbox 提供了一个用于分析线性模型的应用程序和函数。使用 Linear System Analysis 应用程序,您可以同时查看和比较多个线性模型的时间和频率响应。 还可以检查主要性能参数,比如上升时间、稳定时间、最大超调量和稳定裕度。可用的曲线图包括阶跃响应、脉冲响应、波特图、尼柯尔斯图、奈奎斯特图、奇异值分布和零极点分布。您可以模拟响应用户定义的输入和初始条件,进一步调查系统性能。

LTI Viewer GUI,用于在时域和频域中分析线性模型的交互式工具。

Linear System Analyzer 应用程序用于分析时域和频域的线性模型。您可以使用多种时域和频域图,同时比较多个线性模型。

调节控制系统

Control System Toolbox 可通过 SISO 和 MIMO 设计方法,帮助您系统地调节控制 系统参数。

调节 PID 控制器

Control System Toolbox 提供一些通过 PID Tuner 应用程序或命令行函数操作和调节 PID 控制器的工具。您可以:

  • 使用 PID 对象以标准或并联形式表示连续时间或离散时间 PID 控制器
  • 自动调节 PID 增益,平衡性能和健壮性
  • 指定调节参数,如所需的响应时间和相位裕度

使用Control System Toolbox 进行 PID 控制设计 2:22
Control System Toolbox™ を活用して、PID コントローラーを設計します。

如果受控对象的线性模型不可用,您可以使用 System Identification Toolbox 直接在 PID Tuner 应用程序中从测量的输入-输出数据中识别对象模型。

PID Controller Tuning Based on Measured Input-Output Data 3:52
Identify a plant model from measured input-output data and use this model to tune PID Controller gains.

调节 SISO 控制器

通过 Control System Designer 应用程序,您可以设计和分析 SISO 控制系统。您可以:

  • 设计通用控制组件,如 PID、超前/滞后网络和带阻滤波器
  • 使用根轨迹图、波特图和尼柯尔斯图等经典工具,以图形化方式调节 SISO 回路。
  • 在调节控制器的同时,监视闭环响应和性能要求
  • 评估设计因素,如采样时间和控制器复杂度的选择。

使用SISO 设计工具进行控制系统设计 4:40
使用 SISO 设计工具进行控制系统的设计。

除了传递函数和频率响应数据等标准模型表示方式以外,Control System Designer 应用程序还支持带有时间延迟的系统。您还可以同时使用多个受控对象模型,针对不同的操作条件评估控制设计。

Simulink Control Design 使您能够在包含多个 SISO 回路的 Simulink 中调节控制器,从而扩展 Control System Toolbox 的功能。您可以依次断开 SISO 回路,实现回路交互作用的可视化,反复地调节每个回路,以获得最佳总体性能。Simulink Control Design 使您能够将调节后的参数直接导出到 Simulink,以便通过非线性仿真进一步地验证设计。

配合 Simulink Design Optimization™ 一起使用时,Control System Designer 应用程序可帮助您优化控制系统参数,加强基于时间和频率的性能要求。Robust Control Toolbox,可让您利用“H 无穷”算法自动整形开环响应。

非线性对象不同工作点处的控制设计 5:27
为非线性对象的不同工作点同时设计和分析控制器。

调节 MIMO 控制器

Control System Toolbox 支持成熟的 MIMO 设计方法,包括LQR/LQG极点配置算法。它还提供观测器的设计工具,包括卡尔曼滤波器的设计。

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