Simulink Control Design


主要特性

  • 自动调节 PID、增益调度和任意 SISO 和 MIMO 控制系统
  • 工作点计算(配平)和模型线性化
  • 根据仿真数据估算频率响应
  • 适用于不同参数和工作点的线性化批处理
  • 补偿器数值优化可满足时域和频域要求(利用 Simulink Design Optimization™
使用 Simulink Control Design 设计和分析控制系统。利用 Simulink 建模的控制系统(上)、PID Tuner 应用程序(左)以及开环传递函数的波特图(右)

设计和调整控制系统

Simulink Control Design™ 可让您利用 SISO 和 MIMO 设计方法,以系统方式调节在 Simulink® 中建模的控制系统。该产品支持多个方法来控制设计,包括自动调节 PID 控制器,利用根轨迹图和波特图进行交互式调节,以及自动调节分散的 MIMO 架构。


调节 PID 控制器

Simulink Control Design 提供针对 Simulink PID 控制器模块的自动增益调节功能。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。如果模型由于脉宽调制 (PWM) 等不连续线性化为零,您可以使用系统辨识根据仿真输入-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。您可以在 PID Tuner 应用程序中以交互的方式来调整响应时间和瞬态行为。PID Tuner 应用程序还提供您可以用来分析控制器行为的多种图表。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。

设计用 Simulink ® 建模的直流电机的 PID 控制器。通过 PID 控制器模块创建闭环系统,然后利用 PID Tuner 调整 PID 控制器模块的增益。
设计无法线性化的模型的 PID 控制器使用系统标识,根据仿真输入-输出数据确认对象模型。

调节 SISO 控制器

Simulink Control Design 提供Control System Designer 应用程序,以利用 Control System Toolbox™ 的图形化和自动化调节功能直接在 Simulink 中调节 SISO 控制回路。您可以使用在 Simulink 中搭建的任何可线性化的控制架构。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。

调节 2 条串连反馈回路。

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
  • 利用系统设计算法(如专有的 Robust Response Time PID 调节、Ziegler-Nichols PID 调节、IMC 设计或 LQG 设计)计算补偿器设计
  • 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

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

优化多回路控制系统以同时满足频域要求(上)和时域要求(下)。

调节 MIMO 控制器

Simulink Control Design 通过 Control System Tuner 应用程序可让您自动调节用 Simulink 建模的分散控制器。您可以使用该工具箱来自动计算和储存 Simulink 模型的线性化。Simulink Control Design 可自动创建 Simulink 模型中指定的控制架构的可调模型。您可以:

  • 指定应该调节的 Simulink 模型模块
  • 指定调节要求
  • 自动调节指定模块,以满足必备要求(设计限制)并尽量符合其余要求(目标)
  • 通过运行非线性仿真来验证您的设计

利用此方法,您可以自动调节利用 Simulink 模块建模的复杂多变量控制器。例如,您可以自动调节多回路控制系统中的内回路和外回路 PID 控制器,而无需更改控制系统架构。


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种线性方法。工况它包括计算对象在不同工况下的近似值,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调度控制器增益。Simulink Control Design 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:

  • 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是随调度变量而变化的函数
  • 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,以满足各种工况下的调节要求
  • 更新 Simulink 查表或插值模块的参数,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


配平模型

线性控制设计通常需要您考虑多个工作点,以说明非线性模型的各种设置点。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。

对非线性飞机模型进行配平和线性化处理,得到的线性模型用于俯仰率阻尼控制器设计。

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。您可以使用图形化信号标注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,并给出阶跃响应图或波特图的结果。线性化检查器可以用来查看 Simulink 模型中每个模块对线性化的影响。您可以指定模型中任意数量的模块线性特性,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组件的 Simulink 模型,比如 Stateflow® 图表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中传递函数和增益的不确定值,从而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。

所有这些工具都包含一个命令行 API,可编写脚本以执行模型配平和线性化的批处理。您可以亲自编写这些脚本或从图形界面自动创建 MATLAB® 代码

创建脚本以执行 Simulink ® 模型配平和线性化的批处理。

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。

利用仿真估算 Simulink ® 模型的频率响应。