Simulink Control Design

主要特性

Designing and analyzing control systems with Simulink Control Design.
使用 Simulink Control Design 设计和分析控制系统。在 Simulink 中搭建的控制系统(上)、PID 参数调节界面(左)以及开环传递函数的波特图(右)。

PID 控制器调节

Simulink Control Design 提供了 Simulink PID 控制器模块增益值自动调节功能。您可以通过单击完成 PID 控制器的初步调节。产品对 Simulink 模型进行了线性化,获得了一个线性对象模型。如果模型由于脉冲宽度调制 (PWM)等不连续线性化为零,您可以使用系统标识由模拟输入-输出数据创建线性对象模型(需要 System Identification Toolbox™)。

本工具箱然后使用线性对象模型和专有的调节方法基于所指定的闭环系统性能计算 PID 增益。通过对您系统动态的分析,给出一个初步的控制器方案。您然后可以在 PID Tuner 中以交互的方式来调整响应时间和瞬变行为。另外,PID Tuner 还提供了多种图型用于分析控制器性能。例如,您可以使用阶跃图或开环波特图来比较当前增益值和初始增益值的性能。

PID Controller Design for a DC Motor 3:53
Design a PID controller for a DC motor modeled in Simulink®. Create a closed-loop system by using the PID Controller block, then tune the gains of PID Controller block using the PID Tuner.

PID Controller Tuning for a Model with Discontinuities 5:40
Design a PID controller for a model that cannot be linearized. Use system identification to identify a plant model from simulation input-output data.

配平和线性化 Simulink 模型

配平模型

在进行线性控制设计时,您通常需要考虑多个工作点来说明非线性模型的多个运行状态。Simulink Control Design 提供一个 GUI 来确定模型工作点。您可以:

您可以利用这些工作点在稳定状态初始化仿真,也可以作为线性化和控制设计的基础。

Trim, Linearization, and Control Design for an Aircraft 7:17
Trim and linearize a nonlinear aircraft model and use the resulting linear model to design a pitch rate damper controller.

线性化模型

通过 Simulink Control Design,您可以线性化连续、离散和多速率 Simulink 模型。您可以使用信号标注图标指定开环或者闭环回路、线性化输入输出端口,进而可以线性化整个 模型、部分模型、单个模块或子系统。信号标注可用于开环和闭环分析。信号标注和回路分析是非介入式的,不会影响模型的仿真特性。

Simulink Control Design 自动计算线性化模型,并给出阶跃响应或波特图的结果。线性化检查器可以用来查看每个模块对最终 Simulink 线性化模型的影响。您可以指定模型中指定任何模块的线性特性,来精确调整结果。可以将线性行为指定为矩阵增益或 LTI 模型,使您可以灵活地线性化包含不连续或基于事件的 Simulink 模型,比如 Stateflow 模块或使用脉宽调制信号的系统。

使用 Robust Control Toolbox™,您可以直接指定模型传递函数参数和增益值的不确定范围,计算出不确定线性模型。得出的不确定线性模型可用来研究不确定性对控制系统的稳定性和性能的影响。

这些工具都提供命令行 API 来编写模型配平和线性化批处理脚本。您可以自己编写或从 GUI 自动创建 MATLAB® 脚本

Batch Mode Trimming and Linearization 5:20
Create a script to do batch mode trimming and linearization of Simulink® models.

计算模型的频率响应

Simulink Control Design 提供了基于仿真的模型频响计算工具。您可以使用这些工具来:

  • 验证线性化的结果
  • 计算不能线性化模型的频率响应,比如有强不连续状态或基于事件的动态模型
  • 研究激励信号振幅对非线性系统的增益和相位特性的影响

Simulink Control Design 可帮助您构建激励信号如正弦扫描或线性调频信号、运行仿真、收集数据、计算和绘制模型频响图。用于计算频率响应的算法旨在最大程度地缩短仿真时间,并支持 Simulink 的 Accelerator 和 Rapid Accelerator 模式以加速整个计算。

Frequency Response Estimation 6:15
Estimate the frequency response of a Simulink® model using simulation.

在 Simulink 中控制系统设计和分析

Simulink Control Design 提供了 图形界面来直接调节 Simulink 控制回路,它使用 Control System Toolbox™ 的图形化调节和自动调节功能。这可用于您在 Simulink 中搭建的任何可线性化的控制算法。Simulink 可调模块包括增益、传递函数、零点-极点、状态空间和 PID 控制器模块。Simulink Control Design 可以自动识别调节模块所在的控制回路,并启动预先配置好的 Control System Designer 应用程序。

设计控制器 9:09
Design a compensator (PID, etc.) to control a mechatronic system. Use linear control theory to design a control system.

您可以使用 Control System Designer 应用程序:

  • 以图形化方式调节多重、连续以及离散 SISO 回路
  • 在调节参数时查看回路之间的互相影响和耦合效应
  • 设计补偿器,可以利用内置的系统化设计方法如 Robust Response Time PID 调节、Ziegler-Nichols PID 调节、IMC 设计或 LQG 设计。
  • 优化控制回路以满足时域和频域设计要求(需要 Simulink Design Optimization
  • 直接调节 Simulink 模块参数,包括 PID 增益模块、零点-极点-增益模块以及封装的模块
  • 检验闭环响应,如控制系统对参考轨迹的跟踪能力或者对模型任意位置的扰动的抑制能力
  • 将调节好的参数写入原 Simulink 模型,在整个非线性系统下进行验证
Optimizing  a multi-loop control system to simultaneously meet frequency-domain and time-domain requirements.
优化多回路控制系统,同时满足频域(左)和时域(右)要求。在 GUI(上)中指定要优化的控制器参数。

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MATLAB和Simulink在能源与电力行业的应用

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