В этом примере показано, как использовать приложение Control System Tuner для настройки MIMO, многоуровневой системы управления, смоделированной в Simulink.
Control System Tuner позволяет вам модели любую архитектуру управления и определять структуру компонентов контроллера, таких как ПИД-регуляторы, усиления и другие элементы. Вы задаете, какие блоки в модели являются настраиваемыми. Control System Tuner параметрирует эти блоки и настраивает систему свободных параметров в соответствии с заданными требованиями проекта, такими как отслеживание уставок, 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 до установившегося условия зависания. Вектор состояния x = [u,w,q,theta,v,p,phi,r] состоит из:
Продольная скорость u (м/с)
Нормальная скорость w (м/с)
Тангаж скорости q (град/с)
Тангаж theta (град)
Поперечная скорость v (м/с)
Скорость крена p (град/с)
Крен угла phi (град)
Скорость рыскания r (град/с)
Система управления модели имеет два циклов обратной связи. Внутренний цикл обеспечивает статическую выходную обратную связь для увеличения устойчивости и развязки, представленную в модели блоком усиления SOF. Внешний контур имеет ПИ-контроллер для каждого из трех углов ориентации. Контроллер генерирует команды ds,dc,dT в степенях для коллектива продольных циклических, боковых циклических и хвостовых роторов с использованием измерений theta, phi, p, q, и r. Этот цикл обеспечивает требуемое отслеживание уставки для трех углов.
Этот пример использует следующие цели управления:
Отслеживайте изменения уставки в theta, phi, и r при нулевой установившейся ошибке, временах нарастания около 2 секунд, минимальном перерегулировании и минимальном поперечном сцеплении.
Ограничьте полосу управления, чтобы защитить от запущенной динамики высокочастотного ротора и шума измерения. (Модель содержит низкочастотные фильтры, которые частично приводят в действие эту цель.)
Обеспечьте сильные многопараметрические запасы по усилению и фазе. (Многомерные поля измеряют робастность до одновременных изменений усиления или фазы на входах и выходах объекта. Смотрите diskmargin страница с описанием для получения дополнительной информации.)
Используя Control System Tuner, можно совместно настроить внутренний и внешние контуры так, чтобы они соответствовали всем требованиям проекта. Чтобы настроить модель для настройки, откройте приложение и укажите, какие блоки модели Simulink вы хотите настроить.
В окне модели, в разделе Системы управления на вкладке Приложения, выберите Control System Tuner.
В Control System Tuner, на вкладке Tuning, нажмите Select Blocks. Используйте диалоговое окно Select tuned blocks, чтобы задать блоки для настройки.
Нажмите Add Blocks. Control System Tuner анализирует вашу модель, чтобы найти блоки, которые можно настроить. В данном примере блоки контроллера, которые нужно настроить, являются три ПИ-контроллеров и блоком усиления. Проверьте соответствующие блоки PI1, PI2, PI3, и SOF.
Нажмите OK. Диалоговое окно Select tuned blocks теперь отражает добавленные блоки.
Когда вы выбираете блок для настройки, Control System Tuner автоматически параметрирует блок в соответствии с его типом и инициализирует параметризацию со значением блока в модели Simulink. В этом примере ПИ-контроллеров инициализируются
, и статический коэффициент усиления с обратной связью инициализируется в ноль по всем каналам. Симуляция модели показывает, что система управления нестабильна для этих начальных значений.
Требования проекта для этой системы, обсуждавшиеся ранее, включают отслеживание уставок, минимальные запасы устойчивости и ограничение на быструю динамику. В Control System Tuner вы захватываете требования к проектированию с помощью целей настройки.
Во-первых, создайте цель настройки для требования к отслеживанию уставок на theta, phi, и r. На вкладке Настройка в раскрывающемся списке Новая цель выберите Tracking of step commands.
В диалоговом окне Step Tracking Goal укажите опорные сигналы для отслеживания. В разделе Задайте входы переходной характеристики нажмите Добавить сигнал в список. Затем нажмите Select signal from model.
В редакторе моделей Simulink выберите опорные сигналы theta_ref, phi_ref, и r_ref. Эти сигналы появляются в диалоговом окне Select signals. Нажмите Add Signal (s), чтобы добавить их к цели отслеживания шагов.
Затем задайте выходы, которые необходимо отследить для этих ссылок. В разделе Задайте выходы переходной характеристики добавьте выходы theta, phi, и r.
Требование состоит в том, чтобы отклики на выходах отслеживали опорные команды с ответом первого порядка, который имеет одну вторую временную константу. Введите эти значения в разделе «Необходимый ответ» диалогового окна. Кроме того, для этого примера установите Keep massatch ниже равным 20. Это значение устанавливает относительное несоответствие 20% между целевой характеристикой первого порядка и настроенной характеристикой.
Этот рисунок показывает строение диалогового окна Step Tracking Goal. Нажмите кнопку ОК, чтобы сохранить цель настройки.
Затем создайте цели настройки для требуемых требований по запасу устойчивости. В данном примере многопараметрический коэффициент усиления и запасов по фазе на входе объекта управления u и выходы объекта y должно быть не менее 5 дБ и 40 степени. Создайте отдельные цели настройки для ограничений входного и выходного запаса. В раскрывающемся списке «Новая цель» выберите «Минимальные запасы устойчивости». В диалоговом окне «Цель полей» добавьте входной сигнал u в разделе Измерение запасов устойчивости в следующих местоположениях. Кроме того, введите значения усиления и фазы 5 и 40 в разделе «Требуемые поля» диалогового окна. Нажмите OK, чтобы сохранить вход цель запаса устойчивости.
Создайте другую Цель Полей для выхода запаса устойчивости. Задайте выходной сигнал y и целевые поля, как показано на рисунке, и сохраните выход цель запаса устойчивости.
Последнее требование - ограничение быстрой динамики и рывковых переходных процессов. Чтобы достичь этого, создайте цель настройки, которая ограничивает величину полюсов с обратной связью менее чем 25 рад/с. В раскрывающемся списке New Goal выберите Constraint on close-loop dynamics. В диалоговом окне «Цель полюсов» задайте максимальную естественную частоту 25 и нажмите «ОК», чтобы сохранить цель настройки.
Когда вы создаете каждую цель настройки, Control System Tuner создает новый рисунок, которая отображает графическое представление цели настройки. Когда вы настраиваете систему управления, можно обратиться к этому рисунку для графического представления того, насколько точно настроенная система удовлетворяет цели настройки.
Настройте систему управления в соответствии с заданными требованиями проекта.
На вкладке Настройка нажмите кнопку Настроить. Control System Tuner настраивает настраиваемые параметры, чтобы значения, которые наилучшим образом отвечают этим требованиям.
Control System Tuner автоматически обновляет графики целей настройки, чтобы отразить настроенные значения параметров. Исследуйте эти графики, чтобы увидеть, насколько хорошо требования удовлетворяются проектом. Например, исследуйте настроенные переходные характеристики требований к отслеживанию.
Синяя линия показывает, что настроенная реакция очень близка к целевой реакции, в розовом цвете. Время нарастания составляет около двух секунд, и нет перерегулирования и небольшого сцепления.
Точно так же MarginsGoal1 и MarginsGoal2 графики обеспечивают визуальную оценку многопараметрических запасов устойчивости. (См. diskmargin Страница с описанием для получения дополнительной информации о запасах устойчивости с несколькими переменными.) Эти графики показывают, что запас устойчивости вне затененной области, удовлетворяющий требованию на всех частотах.
Можно также просмотреть численный отчет о результатах настройки. Щелкните Отчет о настройке в правом нижнем углу Control System Tuner.
Когда вы настраиваете модель, Control System Tuner преобразует каждую цель настройки в функцию настраиваемых параметров системы и настраивает параметры, чтобы минимизировать значение этих функций. В данном примере отчет о настройке показывает, что окончательные значения для всех целей настройки близки к 1, что указывает на то, что все требования почти удовлетворены.
В целом ваша модель Simulink представляет нелинейную систему. Control System Tuner линеаризирует модель в рабочей точке, заданной в приложении, и настраивает параметры с помощью линейного приближения вашей системы. Поэтому важно подтвердить проектирование контроллера на полной модели Simulink.
Для этого запишите настроенные значения параметров обратно в модель Simulink. На вкладке Control System нажмите Update Blocks. В окне модели Simulink симулируйте модель с новыми значениями параметров. Наблюдайте реакцию на изменения шага в командах уставки, theta-ref, phi-ref, и r-ref на 0, 3 и 6 секундах соответственно.
Исследуйте симуляцию, чтобы подтвердить, что вы получаете желаемые отклики в модели Simulink. Здесь время нарастания каждого отклика составляет около 2 секунд без перерегулирования, без установившейся ошибки и минимального поперечного сцепления, как указано в проект требованиях.