В этом примере показано, как использовать приложение Control System Tuner для настройки многокадровой системы управления MIMO, смоделированной в Simulink.
Тюнер системы управления позволяет моделировать любую архитектуру управления и определять структуру компонентов контроллера, таких как контроллеры PID, коэффициенты усиления и другие элементы. Указывается, какие блоки в модели могут быть настроены. Тюнер системы управления параметризирует эти блоки и настраивает систему свободных параметров в соответствии с заданными проектными требованиями, такими как отслеживание уставок, отклонение возмущений и пределы устойчивости.
В этом примере используется модель Simulink rct_helico. Откройте модель.
open_system('rct_helico')
Завод, Helicopter, является 8-статической моделью вертолета, обрезанной до устойчивого состояния зависания. Вектор состояния x = [u,w,q,theta,v,p,phi,r] состоит из:
Продольная скорость u (м/с)
Нормальная скорость w (м/с)
Скорость тангажа q (град ./с)
Угол тангажа theta (град.)
Поперечная скорость v (м/с)
Скорость крена p (град ./с)
Угол крена phi (град.)
Скорость рыскания r (град ./с)
Система управления модели имеет два контура обратной связи. Внутренний контур обеспечивает статическую выходную обратную связь для увеличения стабильности и разъединения, представленную в модели блоком усиления SOF. Внешний контур имеет PI-контроллер для каждого из трех углов положения. Контроллер генерирует команды ds,dc,dT в градусах для продольного циклического, бокового циклического и хвостового ротора с помощью измерений theta, phi, p, q, и r. Этот цикл обеспечивает требуемое отслеживание уставки для трех углов.
В этом примере используются следующие цели управления:
Отслеживание изменений уставки в theta, phi, и r при нулевой стационарной ошибке, времени подъема около 2 секунд, минимальном превышении и минимальном перекрестном соединении.
Ограничение полосы пропускания управления для защиты от забытой высокочастотной динамики ротора и шума измерений. (Модель содержит фильтры нижних частот, которые частично обеспечивают выполнение этой задачи.)
Обеспечьте сильный многовариантный коэффициент усиления и запас по фазе. (Многовариантные поля измеряют устойчивость к одновременному увеличению или фазовым изменениям на входах и выходах установки. См. раздел diskmargin для получения подробной информации см. страницу.)
С помощью приложения Control System Tuner можно совместно настраивать внутренний и внешний контуры в соответствии со всеми проектными требованиями. Чтобы настроить модель для настройки, откройте приложение и укажите, какие блоки модели Simulink требуется настроить.
В окне Модель Simulink в разделе Системы управления на вкладке Приложения выберите Настройка системы управления.
В окне «Настройка системы управления» на вкладке «Настройка» нажмите кнопку «Выбрать блоки». Диалоговое окно «Выбор настроенных блоков» используется для задания настраиваемых блоков.
Нажмите кнопку «Добавить блоки». Тюнер системы управления анализирует модель, чтобы найти блоки, которые можно настроить. В этом примере настраиваемыми блоками контроллера являются три контроллера PI и блок усиления. Проверить соответствующие блоки PI1, PI2, PI3, и SOF.
Нажмите кнопку OK. Диалоговое окно «Выбор настроенных блоков» теперь отражает добавленные блоки.
При выборе настраиваемого блока модуль настройки системы управления автоматически параметризирует блок в соответствии с его типом и инициализирует параметризацию со значением блока в модели Simulink. В этом примере PI контроллеры инициализируются в
, а статический коэффициент усиления выходной обратной связи инициализируется в нуль на всех каналах. Моделирование модели показывает, что система управления нестабильна для этих начальных значений.
Проектные требования к этой системе, обсуждавшиеся ранее, включают отслеживание уставок, минимальные пределы устойчивости и ограничение быстрой динамики. В приложении Control System Tuner требования к конструкции фиксируются с помощью целей настройки.
Сначала создайте цель настройки для требования отслеживания уставок на theta, phi, и r. На вкладке Настройка в выпадающем списке Новая цель выберите Tracking of step commands.
В диалоговом окне Step Tracking Goal укажите опорные сигналы для отслеживания. В разделе Specify step-response input щелкните Add signal to list (Добавить сигнал в список). Затем щелкните Выбрать сигнал из модели.
В редакторе модели Simulink выберите опорные сигналы theta_ref, phi_ref, и r_ref. Эти сигналы появляются в диалоговом окне «Выбор сигналов». Щелкните Добавить сигналы (Add Signal (s)), чтобы добавить их к цели отслеживания шагов.
Затем укажите выходные данные, которые необходимо отследить для этих привязок. В разделе Specify step-response outputs добавьте выходные данные. theta, phi, и r.
Требование состоит в том, чтобы ответы на выходах отслеживали опорные команды с ответом первого порядка, который имеет постоянную времени одну секунду. Введите эти значения в разделе «Требуемый ответ» диалогового окна. Кроме того, в этом примере установите для параметра Сохранить несоответствие ниже значение 20. Это значение устанавливает относительное несоответствие 20% между целевым ответом первого порядка и настроенным ответом.
На этом рисунке показана конфигурация диалогового окна Step Tracking Goal. Нажмите кнопку ОК, чтобы сохранить цель настройки.
Затем создайте цели настройки для требуемых требований к запасам устойчивости. В этом примере многовариантный коэффициент усиления и запас по фазе на заводских входах u и производственная деятельность завода y не менее 5 дБ и 40 градусов. Создайте отдельные цели настройки для ограничений входных и выходных полей. В раскрывающемся списке Новая цель выберите Минимальные поля устойчивости. В диалоговом окне «Цель полей» добавьте входной сигнал u в разделе Измерить пределы устойчивости в следующих местах. Кроме того, введите значения коэффициента усиления и фазы 5 и 40 в разделе «Требуемые поля» диалогового окна. Нажмите кнопку ОК, чтобы сохранить цель поля стабильности ввода.
Создайте еще одну цель полей для поля стабильности вывода. Укажите выходной сигнал y и целевые поля, как показано на рисунке, и сохраните цель запаса стабильности на выходе.
Последнее требование - ограничить быструю динамику и рывковые переходные процессы. Для этого создайте цель настройки, ограничивающую величину полюсов с замкнутым контуром менее 25 рад/с. В выпадающем списке Новая цель выберите Ограничение для динамики с замкнутым циклом. В диалоговом окне «Цель полюсов» укажите максимальную собственную частоту 25 и нажмите кнопку «ОК» для сохранения цели настройки.
При создании каждой цели настройки модуль настройки системы управления создает новую фигуру, отображающую графическое представление цели настройки. При настройке системы управления можно обратиться к этому рисунку для графического представления того, насколько точно настроенная система удовлетворяет цели настройки.
Настройте систему управления в соответствии с указанными требованиями проекта.
На вкладке Настройка нажмите кнопку Настройка. Тюнер системы управления настраивает настраиваемые параметры на значения, которые наилучшим образом соответствуют этим требованиям.
Модуль настройки системы управления автоматически обновляет графики цели настройки для отражения настроенных значений параметров. Изучите эти графики, чтобы увидеть, насколько хорошо требования удовлетворяются проектом. Например, изучите настроенные ступенчатые ответы на требования к отслеживанию.
Синяя линия показывает, что настроенный отклик очень близок к целевому отклику, розовым. Время подъема около двух секунд, и нет перестрелки и небольшой перекрестной муфты.
Аналогично, MarginsGoal1 и MarginsGoal2 графики обеспечивают визуальную оценку пределов устойчивости с несколькими переменными. (См. раздел diskmargin для получения дополнительной информации о полях устойчивости с несколькими переменными.) Эти графики показывают, что запас устойчивости находится вне затененной области, удовлетворяя требованию на всех частотах.
Можно также просмотреть числовой отчет о результатах настройки. Щелкните Отчет о настройке (Tuning Report) в правом нижнем углу окна Настройка системы управления (Control System Tuner).
При настройке модели модуль настройки системы управления преобразует каждую цель настройки в функцию настраиваемых параметров системы и корректирует параметры, чтобы минимизировать значение этих функций. В этом примере отчет о настройке показывает, что конечные значения для всех целей настройки близки к 1, что указывает на то, что все требования почти выполнены.
Как правило, модель Simulink представляет нелинейную систему. Модуль настройки системы управления линеаризует модель в рабочей точке, указанной в приложении, и настраивает параметры с помощью линейной аппроксимации системы. Поэтому важно проверить конструкцию контроллера на полную модель Simulink.
Для этого запишите настроенные значения параметров обратно в модель Simulink. На вкладке «Система управления» нажмите кнопку «Обновить блоки». В окне Модель Simulink смоделируйте модель с новыми значениями параметров. Наблюдайте за реакцией на шаговые изменения в командах уставки, theta-ref, phi-ref, и r-ref через 0, 3 и 6 секунд соответственно.
Проверьте моделирование, чтобы убедиться, что в модели Simulink получены требуемые ответы. В данном случае время нарастания каждого ответа составляет около 2 секунд без перепуска, без стационарной ошибки и минимального перекрестного соединения, как указано в проектных требованиях.