Проектируйте компенсатор с использованием автоматических методов настройки
Этот пример показывает, как настроить компенсатор с помощью автоматических методов настройки в Control System Designer.
Выберите метод настройки
Чтобы выбрать метод автоматической настройки, в Control System Designer, нажмите Tuning Methods.
Выберите один из следующих методов настройки:
PID Tuning- Настройка коэффициентов усиления ПИДа для балансировки эффективности и робастности или использование классических формул настройки.Optimization Based Tuning- Оптимизируйте параметры компенсатора, используя требования проекта, реализованные на графических графиках настройки и анализа (требует Simulink® Design Optimization™ программное обеспечение).LQG Synthesis- Проектируйте стабилизирующий контроллер обратной связи полного порядка как линейно-квадратично-гауссов (LQG) трекер.Loop ShapingFree-form structure- Найдите стабилизирующий контроллер обратной связи полного порядка с заданной пропускной способностью или формой разомкнутого контура (требуется программное обеспечение Robust Control Toolbox™).Fixed structure- Настройка пользовательского контроллера стабилизирующей обратной связи с заданной пропускной способностью или формой разомкнутого контура.
Internal Model Control (IMC) Tuning- Получите контроллер стабилизирующей обратной связи полного порядка с помощью метода IMC.
Выберите компенсатор и цикл для настройки
В диалоговом окне для выбранного метода настройки, в разделе Compensator, выберите компенсатор и цикл для настройки. Можно использовать Редактор компенсаторов, чтобы задать структуру компенсатора. Для получения дополнительной информации см. раздел «Редактирование динамики компенсатора».
Compensator - Выберите компенсатор для настройки из выпадающего списка. Приложение отображает текущую передаточную функцию компенсатора.
Select Loop to Tune - выберите существующую передаточную функцию без разомкнутого контура для настройки из выпадающего списка. Можно выбрать любую передаточную функцию без разомкнутого контура из Data Browser, которая включает выбранный компенсатор последовательно
Add New Loop - Создайте новый цикл для настройки. В диалоговом окне Передаточная функция разомкнутого контура выберите сигналы и открытия цикла, чтобы сконфигурировать передаточную функцию цикла.
Примечание
Для настройки на основе оптимизации вы не задаете компенсатор и цикл, чтобы настроить таким образом. Вместо этого вы задаете структуру компенсатора и выбираете параметры компенсатора и предфильтра для оптимизации. Для получения дополнительной информации смотрите Выбор настраиваемых элементов компенсатора (Simulink Design Optimization).
Структура компенсатора сохраняется в виде полюсов и нулей после настройки, кроме как при выполнении основанной на оптимизации настройки.
Настройка ПИД
Используя Control System Designer, можно автоматически настроить любой из следующих типов ПИД-регулятора:
P - только пропорциональное управление
I - Интегральное управление только
PI - Пропорционально-интегральное управление
PD - Пропорционально-производное управление
PDF - Пропорционально-производное управление с нижним фильтром на производном члене
ПИД - пропорционально-интегрально-производное управление
PIDF - Пропорционально-интегрально-производное управление с нижним фильтром на производном члене
Чтобы открыть диалоговое окно настройки ПИД, в Control System Designer щелкните Tuning Methods и выберите PID Tuning.
Время робастного отклика
Алгоритм устойчивого времени отклика автоматически настраивает параметры ПИД, чтобы сбалансировать эффективность и робастность. Используя метод надежного времени отклика, можно:
Настройте все параметры для любого типа ПИД-регуляторов.
Проектируйте для объектов, которые стабильны, нестабильны или интегрируются.
Чтобы настроить свой компенсатор с помощью этого метода:
В диалоговом окне «Настройка ПИД», в разделе Specifications, в раскрывающемся списке Tuning method выберите
Robust response time.
Выберите Controller type. Если вы выбираете PD или PID, проверяйте Design with first order derivative filter, чтобы спроектировать PDF или PIDF контроллер, соответственно.
Совет
Добавление производного действия к контроллеру дает алгоритму больше свободы для достижения как адекватного запаса по фазе, так и более быстрого времени отклика.
В раскрывающемся списке Design mode выберите один из следующих вариантов:
Time- Задайте эффективность контроллера, используя параметры временной области.
Response Time - задайте более быстрое или медленное время отклика контроллера. Чтобы изменить время отклика в десять раз, используйте стрелы влево или вправо.
Transient Behavior - Задайте переходное поведение контроллера. Можно сделать контроллер более агрессивным при подавлении помех или более устойчивым к неопределенности объекта.
Frequency- Задайте эффективность контроллера, используя параметры частотного диапазона.
Bandwidth - Задайте полосу пропускания замкнутой системы системы управления. Чтобы получить более быстрое время отклика, увеличьте пропускную способность. Чтобы изменить пропускную способность в десять раз, используйте стрелы влево или вправо.
Phase Margin - Задайте целевой запас по фазе для системы. Чтобы уменьшить перерегулирование и создать более устойчивый контроллер, увеличьте запас по фазе.
Чтобы применить заданное проектирование контроллера к выбранному компенсатору, нажмите Update Compensator.
Примечание
Если вы ранее указывали структуру контроллера вручную или с помощью другого автоматического метода настройки, эта структура теряется при нажатии кнопки Update Compensator.
По умолчанию приложение автоматически вычисляет параметры контроллера для сбалансированной эффективности и робастности. Чтобы вернуться к этим параметрам по умолчанию в любое время, нажмите Reset Parameters.
Формулы классического проекта
Можно использовать классические формулы проекта ПИД для настройки ПИД P, PI, контроллеры и PIDF. Эти формулы проекта:
Требуйте стабильного или интегрирующего объекта. Для получения дополнительной информации об эффективном объекте, увиденном компенсатором, смотрите Эффективный объект для настройки.
Невозможно настроить фильтр производной. Если вы выбираете контроллер, классические методы проекта устанавливают постоянную времени фильтра равной Td/10, где Td является настроенным временем производной.
Чтобы настроить компенсатор классическим методом:
В диалоговом окне «Настройка ПИД», в разделе Specifications, в раскрывающемся списке Tuning method выберите
Classical design formulas.
Выберите Controller type.
Совет
Добавление производного действия к компенсатору дает алгоритму больше свободы для достижения как адекватного запаса по фазе, так и более быстрого времени отклика.
В раскрывающемся списке Formula выберите классическую формулу проекта.
Approximate MIGO frequency response- Вычислите параметры контроллера, используя систему с обратной связью, частотный диапазон, аппроксимируйте M-ограниченную интегральную оптимизацию усиления (см. [1]).Approximate MIGO step response- Вычислите параметры контроллера, используя разомкнутый контур, частотную область, аппроксимируйте M-ограниченную интегральную оптимизацию усиления (см. [1]).Chien-Hrones-Reswick- Аппроксимируйте объект как модель первого порядка с временной задержкой и вычислите параметры ПИД с помощью интерполяционной таблицы Чьена-Хронеса-Ресвика для 0% перерегулирования и подавления помех (см. [2]).Skogestad IMC- Аппроксимируйте объект как модель первого порядка с временной задержкой и вычислите параметры ПИД с помощью правил проекта Skogestad (см. [3]).Примечание
Этот метод отличается от выбора внутренней настройки модели в качестве метода настройки компенсатора полного порядка.
Ziegler-Nichols frequency response- Вычислите параметры контроллера из интерполяционной таблицы Циглера-Николса, основываясь на конечном усилении и частоте системы (см. [2]).Ziegler-Nichols step response- Аппроксимируйте объект как модель первого порядка с временной задержкой и вычислите параметры ПИД с помощью метода проекта Циглера-Николса (см. [2]).
Примените указанное проектирование контроллера к выбранному компенсатору. Нажмите Update Compensator.
Примечание
Если вы ранее указывали структуру контроллера вручную или с помощью другого автоматического метода настройки, эта структура теряется при нажатии кнопки Update Compensator.
Основанная на оптимизации настройка
Настройка на основе оптимизации доступна только в том случае, если установлено программное обеспечение Simulink Design Optimization. Можно использовать этот метод для разработки систем управления для моделей LTI путем оптимизации параметров контроллера.
Примечание
Основанная на оптимизации настройка изменяет только значения параметров контроллера, а не самой структуры контроллера. Для получения информации о добавлении или удалении элементов компенсатора смотрите Edit Compensator Dynamics.
Чтобы спроектировать контроллер, используя настройку на основе оптимизации:
Определите структуру компенсаторов, которые необходимо настроить. Как правило, вы проектируете начальный контроллер либо вручную, либо с использованием другого автоматического метода настройки.
Откройте диалоговое окно Оптимизация отклика. В Control System Designer щелкните Tuning Methods и выберите Optimization-Based Tuning.
Выберите параметры компенсатора для оптимизации. На вкладке Compensators в столбце Optimize выберите элементы компенсатора для настройки.
Можно оптимизировать элементы для любого компенсатора, перечисленного в Data Browser.
Все элементы, которые вы не выбираете в Optimize столбце, остаются на своих текущих значениях во время оптимизации.
Для каждого элемента компенсатора задайте:
Initial guess - Начальная точка для алгоритма оптимизации. Чтобы использовать текущий Value элемента в качестве Initial guess, щелкните строку в таблице и нажатии кнопки Use Value as Initial guess.
Minimum и Maximum границы значения элемента. Оптимизация ограничивает результаты поиска заданной области.
Typical value коэффициент масштабирования для нормализации элементов компенсатора.
На вкладке Design Requirements в столбце Optimize выберите требования проекта, которые будут удовлетворены во время оптимизации.
Каждое требование к проекту связано с графиком определенного отклика в Data Browser.
Для получения информации о добавлении и редактировании требований проект см. «Требования к проектированию».
(необязательно) настройте опции оптимизации. На вкладке Optimization нажмите Optimization options.
Нажмите Start Optimization.
Для примеров настройки на основе оптимизации смотрите Оптимизацию системы LTI, чтобы соответствовать Частотный диапазон требованиям ( Simulink Design Optimization) и Проектирование основанных на оптимизации ПИД-регуляторов для линеаризированной модели Simulink (графического интерфейса пользователя) (Simulink Design Optimization).
Синтез LQG
Линейно-квадратично-Гауссово (LQG) управление является методом разработки оптимальных динамических регуляторов и трекеров уставок. Этот метод позволяет вам компромиссировать эффективность и усилия по управлению, и учитывать нарушения порядка процесса и шум измерения.
Синтез LQG генерирует контроллер обратной связи полного порядка, который гарантирует стабильность замкнутого контура. Разработанный контроллер содержит интегратор, который гарантирует нулевую установившуюся ошибку для объектов без свободного дифференциатора.
Для разработки контроллера:
Откройте диалоговое окно LQG Synthesis. В Control System Designer щелкните Tuning Methods и выберите LQG Synthesis.
Задайте переходное поведение контроллера, используя Controller response ползунок. Можно сделать контроллер более агрессивным при подавлении помех или более устойчивым к неопределенности объекта. Если вы верите, что ваша модель точна, и что манипулируемая переменная имеет достаточно большую область значений, агрессивный контроллер предпочтительнее.
Задайте оценку уровня выходного шума измерения для вашего приложения с помощью Measurement noise ползунка. Чтобы создать более устойчивый контроллер, задайте большую оценку шума.
Задайте выборы порядка контроллера с помощью Desired controller order ползунка. Максимальный порядок контроллера зависит от эффективной динамики объекта управления.
Примените указанное проектирование контроллера к выбранному компенсатору. Нажмите Update Compensator.
Примечание
Если вы ранее указывали структуру контроллера вручную или с помощью другого автоматического метода настройки, эта структура теряется при нажатии кнопки Update Compensator.
Для примера синтеза LQG с использованием Control System Designer, смотрите Design LQG Tracker Using Control System Designer.
Формирование цикла
Можно использовать цикл для разработки регуляторов SISO в Control System Designer для компенсаторов свободной или фиксированной структуры. Для формирования цикла для разработки компенсаторов свободной формы требуется лицензия Robust Control Toolbox. Цикл генерирует стабилизирующий контроллер обратной связи, чтобы максимально точно соответствовать форме целевого цикла. Можно задать эту форму цикла как полосу пропускания или частотную характеристику без разомкнутого контура.
Чтобы спроектировать контроллер, используя формирование цикла:
Откройте диалоговое окно «Цикл». В Control System Designer щелкните Tuning Methods и выберите Loop Shaping.
Выберите одну из следующих настроек настройки:
Compensator Structure - Выберите одну из следующих структур компенсатора:
Free-form structure- Если у вас установлено программное обеспечение Robust Control Toolbox, можно использовать структуру компенсатора свободной формы. Используйте Desired controller order ползунок, чтобы задать выборы порядка контроллера. Можно использовать Редактор компенсаторов, чтобы задать структуру компенсатора. Дополнительные сведения о редакторе компенсаторов см. в разделе «Редактирование динамики компенсатора».Fixed structure- Когда вы выбираетеFixed StructureControl System Designer будем использовать предоставленный порядок контроллера, чтобы выполнить автоматическое формирование цикла.
Target bandwidth - Задайте Target open-loop bandwidth, для создания цикла формы заданной полосы пропускания над интегратором, .
Target loop shape - Задайте Target open-loop shape как a
tf,ss, илиzpkобъект. Чтобы ограничить частоты, по которым можно соответствовать форме целевого контура, задайте Frequency range for loop shaping как двухэлементный вектор-строку.
Укажите выбор порядка контроллера с помощью ползунка Desired controller order при использовании структуры компенсатора свободной формы. Максимальный порядок контроллера зависит от эффективной динамики объекта управления. Когда вы используете фиксированную структуру компенсатора, Control System Designer будете использовать поставляемый порядок контроллера, чтобы выполнить автоматическое формирование цикла.
Примените указанное проектирование контроллера к выбранному компенсатору. Нажмите Update Compensator.
Примечание
Если вы ранее указывали структуру контроллера вручную или с помощью другого автоматического метода настройки, эта структура теряется при нажатии кнопки Update Compensator.
Настройка внутренней модели управления
Управление внутренней моделью (IMC) использует прогнозирующую модель динамики объекта для вычисления действий управления. Проект IMC генерирует контроллер обратной связи полного порядка, который гарантирует стабильность замкнутого цикла, когда нет ошибки модели. Настроенный компенсатор также содержит интегратор, который гарантирует нулевое установившееся смещение для объектов без свободного дифференциатора. Можно использовать этот метод настройки как для стабильных, так и для нестабильных объектов.
Для разработки контроллера IMC:
Выберите и сконфигурируйте архитектуру управления IMC. В Control System Designer нажмите Edit Architecture.
В диалоговом окне Edit Architecture выберите пятую архитектуру управления и импортируйте модель объекта управления, G1, прогнозирующую модель, G2 и Gd модели возмущения.
Нажмите OK.
Откройте диалоговое окно Настройка внутренней модели (IMC). В Control System Designer щелкните Tuning Methods и выберите Internal Model Control (IMC) Tuning.
Задайте доминирующую временную константу замкнутого цикла. Значение по умолчанию является 5% от времени урегулирования разомкнутого контура. В целом увеличение этого значения замедляет работу системы с обратной связью и делает ее более устойчивой.
Задайте выборы порядка контроллера с помощью Desired controller order ползунка. Максимальный порядок контроллера зависит от эффективной динамики объекта управления.
Примените указанное проектирование контроллера к выбранному компенсатору. Нажмите Update Compensator.
Примечание
Если вы ранее указывали структуру контроллера вручную или с помощью другого автоматического метода настройки, эта структура теряется при нажатии кнопки Update Compensator.
Для примера настройки IMC, смотрите Проект Внутреннего Контроллера Модели для Объекта Химического Реактора.
Ссылки
[1] Öström, K. J. and Hägglund, T. «Replacing the Ziegler-Nichols Tuning Rules». Глава 7 в Advanced PID Control, Research Triangle Park, NC: Instrumentation, Systems and Automation Society, 2006, pp. 233-270.
[2] Öström, K. J. and Hägglund, T. «Ziegler-Nichols 'and Related Methods». Раздел 6.2 в Advanced PID Control, Research Triangle Park, NC: Instrumentation, Systems and Automation Society, 2006, pp. 167-176.
[3] Skogestad, S., «Простые аналитические правила для снижения сложности модели и ПИД-регулятора настройки». Журнал управления технологическим процессом, том 13, № 4, 2003, стр. 291-309.