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
  • 用于分析稳定性和性能的阶跃响应、奈奎斯特图以及其他时域和频域工具
  • 自动调节 PID、增益调度和任意 SISO 和 MIMO 控制系统
  • 根轨迹图波特图、LQR、LQG 及其他传统和状态空间设计方法
  • 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
Control System Designer 应用程序(上)可交互式地分析、设计和调节控制器。可用的工具包括根轨迹图、波特图和阶跃响应图(下)。

创建和操作线性模型

线性控制技术是控制系统设计和分析的基础。Control System Toolbox™ 可让您创建和操作控制系统的线性模型。


创建模型

支持所有标准模型表示形式,包括传递函数、零极点增益、显式及描述符方式的状态空间及频率响应数据。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 可让您创建和使用线性模型和模型数组的集合。您可以使用模型数组来表示和分析参数变量的敏感性,或者根据多个对象模型验证控制器设计。也可以利用线性变参数 (LPV) 系统来近似非线性动力学系统。通过该工具箱,您可以使用 LPV 系统模块来仿真这类系统。

建立对象模型通常是设计控制系统的第一步。如果没有线性模型可用,您可以通过利用 System Identification Toolbox™ 辨识测试数据,或者利用 Simulink Control Design™ 线性化 Simulink® 模型,来建立一个模型。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。

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™

用于创建和分析带有控制器 C 和被控对象模型 G 的反馈回路的 MATLAB 代码。被控对象模型被描述为一阶传递函数,延迟时间为 T 秒。

互连和转换模型

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,
  • 将模型分解为 slow-fast 和 stable-unstable 组件
  • 为状态空间模型执行坐标变换
线性系统的模型互连:从简单串并联连接到复杂块图。

降低模型阶次

Control System Toolbox 提供了一个用于计算高阶模型之低阶近似的应用程序和函数。通过 Model Reducer,您可以简化高阶线性模型,同时保留对您的应用而言至关重要的模型动态。您可以删除对系统动态影响很小的状态,选择重要模式并取消近极点/零点对。也可以利用时域图和频域图对原始模型和降阶模型进行比较。

Approximate nonlinear Simulink model with a low-order linear model.

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。利用 Linear System Analyzer 应用程序,您可以一次同时查看并比较多个线性模型的时域响应和频率响应。也可以检查主要性能参数,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。您可以模拟对用户自定义的输入和初始条件的响应,进一步评估系统性能。

Linear System Analyzer 应用程序可在时域和频域中分析线性模型。您可以使用多种时域和频域图,同时比较多个线性模型。

设计和调节控制系统

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。也可以设计卡尔曼滤波器。


调节 PID 控制器

Control System Toolbox 提供通过 PID Tuner 应用程序或命令行函数来操作和调节 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 增益以平衡性能和鲁棒性。
  • 指定调节参数,如所需的响应时间和相位裕度
Control System Toolbox™ を活用して、PID コントローラーを設計します。

如果该对象的线性模型不可用,您可以通过 System Identification Toolbox,直接由 PID Tuner 应用程序测得输入-输出数据中确定对象模型。

从测得的输入-输出数据中确认对象模型,然后使用此模型来调节 PID 控制器增益。
通过 PID Tuner 应用程序,调优由方程定义的 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。

调节 SISO 控制器

Control System Designer 应用程序可让您设计和分析 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
  • 通过传统工具,如根轨迹图、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,监控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的设计。

除了标准模型表示形式外(如传递函数和频率响应数据),Control System Designer 应用程序还支持带延时的系统您也可以同时处理多个对象模型,以评估控制设计在不同操作条件下的表现。

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。您可以按顺序相继关闭 SISO 回路,可视化回路交互,并以迭代方式调节每个回路以取得最佳的整体性能。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 应用程序可让您优化控制系统参数,从而加强基于时间和频率的性能要求。而配合 Robust Control Toolbox 一起使用时,该应用程序则可让您利用“H 无穷”算法自动整形开环响应。

为非线性对象的不同工作点同时设计和分析控制器。

除了 Control System Designer 应用程序外,您还可以使用 Control System Tuner 应用程序来调节 MATLAB® 和 Simulink 中的 SISO 控制器。Control System Tuner 应用程序可自动调节控制器参数,以符合时域和频域要求。


调节 MIMO 控制器

大多数嵌入式控制系统都具备一个固定的架构,包含简单可调元素,如增益、PID 控制器或低阶滤波器。此类架构比起复杂的集中控制器而言,更易于理解、实施、调度和重调。Control System Toolbox 提供了用于建模和调节这些分散的控制架构的函数和 Control System Tuner 应用程序。您可以:

  • 指定可调元素,如增益、PID 控制器、定阶传递函数和定阶状态空间模型。
  • 将可调元素与常线性时不变 (LTI) 模型组合,以创建控制架构的可调模型。
  • 指定并可视化调节要求,如跟踪性能、干扰抑制、噪音放大、闭环极点位置和稳定裕度。
  • 自动调节控制器参数,以满足必备要求(设计限制)并尽量符合其余要求(目标)
  • 验证控制器在时域和频域中的性能
利用 Control System Tuner 应用程序自动调节多变量飞行控制系统。

该工具箱还可让您根据一组对象模型来调节一个控制器。您利用它设计的控制器可以对因工况发生改变而产生的对象动态变化具有很强的鲁棒性,并且还能够恢复传感器或作动器故障。

除了调节固定结构 MIMO 控制器外,Control System Toolbox 还支持成熟的 MIMO 设计状态空间方法,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。

调节固定结构控制器以用于对象的多个工作模式。

调节增益调度控制器

增益调度是用于控制非线性或时变对象的一个线性方法。该方法包括计算对象在不同工况的近似值,调节特定工况下的控制器增益,以及随着不同工况下对象发生改变而变化的调度控制器增益。Control System Toolbox 提供了用于自动计算固定结构控制系统的增益调度的工具。您可以:

  • (利用 Simulink Control Design)在不同工况下自动配平和线性化 Simulink 模型
  • 参数化控制器增益面以作为调度变量的函数
  • 构造在整个工作范围中代表该系统的线性变参数 (LPV) 模型
  • 指定调节要求,如跟踪和干扰抑制
  • 自动调节增益面系数,以满足所有工作条件下的调节要求
  • 更新 Simulink 查询表或插补模块的参数,实施带调节增益值的控制器
生成三回路自动驾驶仪的平滑增益调度