В этом примере показано, как настроить два каскадных цикла обратной связи в Simulink ® Control Design™ с помощью Control System Designer.
В этом примере разработаны контроллеры для двух каскадных контуров обратной связи в модели планера, так что компонент ускорения (az) отслеживает опорные сигналы с максимальным временем нарастания 0,5 секунды. В структуре цикла обратной связи в этом примере используется частота тела (q) как внутренний контур обратной связи и ускорение (az) в качестве внешнего контура обратной связи.
Откройте модель планера.
open_system('scdairframectrl')
Двумя контроллерами обратной связи являются:
scdairframectrl/q Control - Дискретно-временной интегратор и блок усиления стабилизируют внутренний контур.
open_system('scdairframectrl/q Control')
scdairframectrl/az Control - Дискретно-временной интегратор, дискретная передаточная функция и блок усиления стабилизируют внешний контур.
open_system('scdairframectrl/az Control')
Типичной процедурой проектирования систем каскадной обратной связи является сначала проектирование внутреннего контура, а затем внешнего контура. В конструкторе систем управления можно проектировать оба контура одновременно; по умолчанию при проектировании системы обратной связи с несколькими контурами учитываются эффекты связи между контурами. Однако при одновременном конструировании двух контуров обратной связи может быть необходимо разъединить контуры обратной связи; то есть удалить эффект внешнего контура при настройке внутреннего контура. В этом примере создается внутренний контур обратной связи (q) с эффектом внешнего контура (az) удален.
Для проектирования контроллера с помощью конструктора систем управления необходимо:
Выберите блоки контроллеров, которые требуется настроить.
Создайте отклики с разомкнутым и замкнутым контурами, которые необходимо просмотреть.
В этом примере можно:
Запустите предварительно настроенную сессию конструктора системы управления, дважды щелкнув подсистему в левом нижнем углу модели.
Сконфигурируйте конструктор систем управления с помощью следующей процедуры.
Чтобы открыть конструктор систем управления, в модели Simulink в коллекции приложений щелкните Конструктор систем управления.
В диалоговом окне «Редактирование архитектуры» на вкладке «Блоки» нажмите кнопку «Добавить блоки». В диалоговом окне «Выбор блоков для настройки» выберите следующие блоки и нажмите «ОК».
scdairframectrl/q Control/q Gain
scdairframectrl/az Control/az Gain
scdairframectrl/az Control/az DTF
На вкладке Сигналы (Signals) точки анализа, определенные в модели Simulink, автоматически добавляются как Расположения (Locations).
Входные данные: scdairframectrl/Step az - Выходной порт 1
Выходные данные: scdairframectrl/Airframe Model - Выходной порт 1
Чтобы использовать выбранные блоки и сигналы, нажмите кнопку «ОК».
В браузере данных раздел Ответы содержит следующие отклики с разомкнутым контуром, которые Control System Designer автоматически распознает как потенциальные петли обратной связи для проектирования с разомкнутым контуром.
Выходной порт 1 из scdairframectrl/az Control/az DTF
Выходной порт 1 из scdairframectrl/az Control/az Gain
Выходной порт 1 из scdairframectrl/q Control/q Gain
Откройте графические редакторы Bode для каждого из следующих ответов. В конструкторе систем управления выберите «Методы настройки» > «Редактор модов». Затем в выпадающем списке Выбрать ответ для правки (Select Response to Edit) выберите соответствующие отклики с разомкнутым контуром и нажмите кнопку График (Plot).
Разомкнутый контур на выходе 1 из scdairframectrl/az Control/az DTF
Разомкнутый контур на выходе 1 из scdairframectrl/q Control/q Gain
Чтобы просмотреть отклик системы обратной связи по замкнутому контуру, создайте пошаговый график для нового отклика передаточной функции ввода-вывода. Выберите «Новый график» > «Новый шаг». Затем в диалоговом окне Создать шаг для печати (New Step to Plot) в раскрывающемся списке Выбрать ответ на график (Select Response to Plot) выберите Новый ответ на передачу ввода-вывода (New Input-Output Transfer Response).
Добавить scdairframectrl/Step az/1 в качестве входного сигнала и scdairframectrl/Airframe Model/1 в качестве выходного сигнала.
Щелкните Печать (Plot).
На графике редактора модов внешнего контура Редактор бодов для LoopTransfer_scdairframectrl_az_Control_az_DTF увеличивает коэффициент усиления контура обратной связи, перетаскивая отклик величины вверх. Также изменяется график редактора модов с внутренним контуром «Редактор модов для LoopTransfer_scdairframectrl_q_Control_q_Gain». Это изменение является результатом связи между контурами обратной связи. Более систематический подход заключается в том, чтобы сначала спроектировать внутренний контур обратной связи с разомкнутым внешним контуром.
Чтобы устранить влияние внешнего контура при проектировании внутреннего контура, добавьте отверстие контура к отклику разомкнутого контура внутреннего контура.
В браузере данных в области «Ответы» щелкните правой кнопкой мыши ответ внутреннего цикла и выберите «Открыть выбор».
В диалоговом окне «Функция передачи с разомкнутым контуром» укажите scdairframectrl/az Control/az DTF/1 в качестве отверстия петли. Нажмите кнопку ОК.
На графике внешнего контура редактора Боде увеличьте коэффициент усиления, перетаскивая отклик величины. Поскольку контуры разъединены, график редактора Bode с внутренним контуром не изменяется.
Теперь можно завершить проектирование внутреннего контура без эффекта внешнего контура и одновременно спроектировать внешний контур с учетом эффекта внутреннего контура.
Конструктор систем управления содержит несколько методов настройки системы управления:
Вручную настройте параметры каждого компенсатора с помощью редактора компенсатора. Дополнительные сведения см. в разделе Настройка блоков Simulink с помощью редактора компенсаторов (Simulink Control Design).
Графическая настройка полюсов компенсатора, нулей и коэффициентов усиления с использованием графиков Бода, локуса корня или редактора Николса с разомкнутым/замкнутым контуром. Нажмите «Методы настройки» и выберите редактор в разделе «Графическая настройка».
Оптимизация параметров компенсатора с использованием требований к проектированию во временной и частотной областях (требуется программное обеспечение Simulink Design Optimization™). Нажмите «Методы настройки» и выберите «Настройка на основе оптимизации». Дополнительные сведения см. в разделе Обеспечение соблюдения требований к времени и частоте при проектировании одноконтурного контроллера (Simulink Design Optimization).
Вычислять начальные параметры компенсатора с помощью автоматизированной настройки на основе таких параметров, как постоянные времени замкнутого цикла. Нажмите Tuning Methods (Методы настройки) и выберите PID Tuning (Настройка PID), Internal Model Control (IMC) Tuning (Настройка внутренней модели), Loop Shaping (требуется программное обеспечение Toolbox™ надежного управления) или LQG Synthesis (Синтез LQG).
Проектные требования удовлетворяют следующим параметрам компенсатора:
scdairframectrl/q Control/q Gain:
K_q = 2.7717622
scdairframectrl/az Control/az Gain:
K_az = 0.00027507
scdairframectrl/az Control/az DTF:
Numerator = [100.109745 -99.109745]
Denominator = [1 -0.88893]Реакция системы с замкнутым контуром показана ниже:
Чтобы записать параметры компенсатора обратно в модель Simulink, щелкните Обновить блоки (Update Blocks). Затем можно протестировать конструкцию на нелинейной модели.
bdclose('scdairframectrl')
Конструктор системы управления