В этом примере показано, как использовать приложение Control System Tuner, чтобы настроить MIMO, многоконтурную систему управления, смоделированную в Simulink.
Control System Tuner позволяет вам модель любая архитектура управления, и задайте структуру компонентов контроллера, таких как ПИД-регуляторы, усиления и другие элементы. Вы задаете, какие блоки в модели являются настраиваемыми. Control System Tuner параметрирует те блоки и настраивает свободную систему параметров, чтобы соответствовать конструктивным требованиям, которые вы задаете, такие как отслеживание заданного значения, подавление помех и запасы устойчивости.
Этот пример использует модель Simulink rct_helico. Откройте модель.
open_system('rct_helico')
Объект, Helicopter, модель вертолета с 8 состояниями, обрезанная к установившемуся наводящему условию. Вектор состояния x = [u,w,q,theta,v,p,phi,r] состоит из:
Продольная скорость u (m/s)
Нормальная скорость w (m/s)
Уровень подачи q (градус/с)
Угол подачи theta (градус)
Боковая скорость v (m/s)
Уровень списка p (градус/с)
Угол вращения phi (градус)
Уровень отклонения от курса r (градус/с)
Система управления моделью имеет две обратной связи. Внутренний цикл обеспечивает статическую выходную обратную связь для повышения стабильности и разъединения, представленного в модели блоком SOF усиления. Внешний цикл имеет ПИ-контроллер для каждого из трех углов отношения. Контроллер генерирует команды ds,dc,dT в градусах для продольного циклического, циклического бокового, и ротор хвоста коллективные измерения использования theta, phiPQ, и r. Этот цикл обеспечивает желаемое отслеживание заданного значения для этих трех углов.
Этот пример использует эти цели управления:
Отследите изменения заданного значения в theta, phi, и r с нулевой установившейся ошибкой, временами нарастания приблизительно 2 секунд, минимального перерегулирования и минимальной перекрестной связи.
Ограничьте пропускную способность управления, чтобы принять меры против заброшенной высокочастотной динамики ротора и шума измерения. (Модель содержит фильтры lowpass, которые частично осуществляют эту цель.)
Обеспечьте сильные многомерные запасы по амплитуде и фазе. (Многомерные поля измеряют робастность к одновременному усилению или изменениям фазы при вводах и выводах объекта. Смотрите diskmargin страница с описанием для деталей.)
Используя Control System Tuner, можно совместно настроить внутренние и внешние циклы, чтобы соответствовать всем конструктивным требованиям. Чтобы настроить модель для настройки, откройте приложение и задайте, какие блоки модели Simulink вы хотите настроить.
В окне модели Simulink, в меню Analysis, выбирают Control Design> Control System Tuner.
В Control System Tuner, на вкладке Tuning, нажимают Select Blocks. Используйте настроенное диалоговое окно блоков Выбора, чтобы задать блоки, чтобы настроиться.
Нажмите Add Blocks. Control System Tuner анализирует вашу модель, чтобы найти блоки, которые могут быть настроены. В данном примере блоки контроллера, чтобы настроиться являются этими тремя ПИ-контроллерами и блоком усиления. Проверяйте соответствующие блоки PI1, PI2, PI3, и SOF.
Нажать ОК. Выбор настроился, диалоговое окно блоков теперь отражает блоки, которые вы добавили.
Когда вы выбираете блок, чтобы настроиться, Control System Tuner автоматически параметрирует блок согласно своему типу и инициализирует параметризацию значением блока в модели Simulink. В этом примере ПИ-контроллеры инициализируются к
, и статическое усиление выходной обратной связи инициализируется, чтобы обнулить на всех каналах. Симуляция модели показывает, что система управления нестабильна для этих начальных значений.
Конструктивные требования для этой системы, обсужденной ранее, включают отслеживание заданного значения, минимальные запасы устойчивости и предел на быстрой динамике. В Control System Tuner вы получаете настраивающие цели использования конструктивных требований.
Во-первых, создайте настраивающуюся цель для отслеживающего заданное значение требования к theta, phi, и r. На вкладке Tuning, в Новом Целевом выпадающем списке, выбирают Tracking of step commands.
На Шаге, Отслеживающем Целевое диалоговое окно, задайте ссылочные сигналы для отслеживания. Под Задают входные параметры переходного процесса, нажимают сигнал Add перечислить. Затем нажмите сигнал Select из модели.
В редакторе моделей Simulink выберите сигналы ссылки theta_ref, phi_ref, и r_ref. Эти сигналы появляются в диалоговом окне сигналов Выбора. Нажмите Add Signal, чтобы добавить их в цель отслеживания шага.
Затем задайте выходные параметры, что вы хотите отследить те ссылки. Под Задают переходной процесс выходные параметры, добавляют выходные параметры theta, phi, и r.
Требование - то, что ответы при выходных параметрах отслеживают ссылочные команды с ответом первого порядка, который имеет константу с одним вторым разом. Введите эти значения в раздел Desired Response диалогового окна. Кроме того, поскольку этот набор в качестве примера Сохраняет несоответствие ниже к 20. Это наборы значений 20%-е относительное несоответствие между целевым ответом первого порядка и настроенным ответом.
Этот рисунок показывает настройку диалогового окна Step Tracking Goal. Нажмите ОК, чтобы сохранить настраивающуюся цель.
Затем создайте настраивающиеся цели для желаемых требований по запасу устойчивости. В данном примере многомерные запасы по амплитуде и фазе на объекте вводят u и объект выходные параметры y должны быть по крайней мере 5 дБ и 40 градусов. Создайте отдельные настраивающие цели по ограничениям поля ввода и вывода. В Новом Целевом выпадающем списке выберите запасы устойчивости Minimum. В диалоговом окне Margins Goal добавьте входной сигнал u под запасами устойчивости Меры в следующих местоположениях. Кроме того, введите усиление и значения фазы 5 и 40 в разделе Desired Margins диалогового окна. Нажмите ОК, чтобы сохранить входную цель запаса устойчивости.
Создайте другую Цель Полей для выходного запаса устойчивости. Задайте выходной сигнал y и целевые поля, как показано, и сохраняют выходную цель запаса устойчивости.
Последнее требование должно ограничить быструю динамику и судорожные переходные процессы. Чтобы достигнуть этого, создайте настраивающуюся цель, которая ограничивает величину полюсов с обратной связью меньше чем к 25 рад/с. В Новом Целевом выпадающем списке выберите Constraint на динамике с обратной связью. В диалоговом окне Poles Goal задайте максимальную собственную частоту 25 и нажмите ОК, чтобы сохранить настраивающуюся цель.
Когда вы создаете каждую настраивающую цель, Control System Tuner создает новую фигуру, которая отображает графическое представление настраивающейся цели. Когда вы настраиваете свою систему управления, можно обратиться к этому рисунку для графического представления того, как тесно настроенная система удовлетворяет настраивающейся цели.
Настройте систему управления, чтобы соответствовать конструктивным требованиям, которые вы задали.
На вкладке Tuning нажмите Tune. Control System Tuner настраивает настраиваемые параметры к значениям, которые лучше всего удовлетворяют те требования.
Control System Tuner автоматически обновляет целевые настройкой графики отразить настроенные значения параметров. Исследуйте эти графики, чтобы видеть, как хорошо требованиям удовлетворяет проект. Например, исследуйте настроенные переходные процессы отслеживания требований.
Синяя линия показывает, что настроенный ответ очень близко к целевому ответу в розовом. Время нарастания составляет приблизительно две секунды, и нет никакого перерегулирования и небольшой перекрестной связи.
Точно так же MarginsGoal1 и MarginsGoal2 графики обеспечивают визуальную оценку многомерных запасов устойчивости. (См. diskmargin страница с описанием для получения дополнительной информации о многомерных запасах устойчивости.) Эти графики показывают, что запас устойчивости вне теневой области, удовлетворяя требованию на всех частотах.
Можно также просмотреть числовой отчет настраивающихся результатов. Нажмите Tuning Report в правом нижнем из Control System Tuner.
Когда вы настраиваете модель, Control System Tuner преобразует каждую настраивающую цель в функцию настраиваемых параметров системы и настраивает параметры, чтобы минимизировать значение тех функций. В данном примере настраивающийся отчет показывает, что окончательные значения для всех настраивающих целей близко к 1, который указывает, что все требования почти удовлетворяются.
В общем случае ваша модель Simulink представляет нелинейную систему. Control System Tuner линеаризует модель в рабочей точке, которую вы задаете в приложении и параметрах мелодий с помощью линейной аппроксимации системы. Поэтому важно подтвердить проектирование контроллера на полной модели Simulink.
Для этого запишите настроенные значения параметров обратно к модели Simulink. На вкладке Control System нажмите Update Blocks. В окне модели Simulink симулируйте модель с новыми значениями параметров. Наблюдайте ответ на ступенчатые изменения в командах заданного значения, theta-ref, phi-ref, и r-ref в 0, 3, и 6 секунд соответственно.
Исследуйте симуляцию, чтобы подтвердить, что вы получаете желаемые ответы в модели Simulink. Здесь, время нарастания каждого ответа составляет приблизительно 2 секунды без перерегулирования, никакой установившейся ошибки и минимальной перекрестной связи, как задано в конструктивных требованиях.