Модель поставки пакета UAV

В этом примере мультиротор моделируется в Simulink® с помощью компонентов UAV Toolbox. Эта модель основана на uavPackageDelivery UAV Toolbox модель. Для получения дополнительной информации смотрите Доставку Пакета UAV (UAV Toolbox).

Чтобы начать, настройте и откройте Проект Simulink.

run('scdUAVPIDAutotuningStart.m')

Архитектура модели и соглашения

Топ-модель состоит из следующих подсистем и моделей - ссылок:

Данные проектирования модели содержатся в словаре данных Simulink в папке данных (uavPackageDeliveryDataDict.sldd). Кроме того, модель использует Различные Подсистемы, чтобы управлять различными настройками модели. Переменные, помещенные в базовое рабочее пространство, конфигурируют эти варианты без потребности изменить словарь данных.

Автоматическая настройка ПИД-регулятора

Этот пример использует блок Closed-Loop PID Autotuner из программного обеспечения Simulink Control Design™, чтобы настроить восемь контроллеров, используемых в управлении отношением и положением мультиротора. Можно использовать много способов настроить контроллеры, включая настройку руководства и эмпирические вычисления. При помощи Автотюнера ПИДа С обратной связью можно настроить систему управления загодя и затем выполнить настройку всех восьми циклов с процессом с одним нажатием кнопки. Это делает целый настраивающий процесс повторяемым и легко корректируемым для будущей настройки. В этом примере вы используете шесть моделей степени свободы мультиротора в Simulink. Однако можно также использовать Автотюнер ПИДа С обратной связью на оборудовании, чтобы выполнить тот же процесс с помощью действительного мультиротора. Большинство других настраивающих методов затрудняет, чтобы реализовать на фактических мультироторах, может занять много времени и не легко повторяемо.

При помощи Автотюнера ПИДа С обратной связью для настройки контроллеров в этом примере вы не должны совершенствовать знание настраивающих методов управления.

Измените модель поставки пакета UAV для автонастройки ПИД-регулятора

Чтобы упростить автонастройку ПИД-регулятора, исходная модель поставки пакета UAV изменяется с этими изменениями:

Эти изменения позволяют, чтобы мультиротор взлетел и остался на фиксированной высоте, в то время как автоматическая настройка происходит и обновить коэффициенты усиления ПИД-регуляторов, всех в одной симуляции.

Выполнение шагов в качестве примера

Используйте Ярлыки Проекта, чтобы продвинуться через пример. Каждый ярлык настраивает необходимые переменные для проекта.

Начало работы

Кликните по Начинающему ярлыку проекта, который настраивает модель для четырех-waypoint миссии с помощью высокочастотной модели объекта управления мультиротора. Запустите uavPIDAutotuning модель, которая показывает взлет мультиротора, муху и землю в 3-D графике.

Модель использует блок UAV Path Manager, чтобы определить, который является активным waypoint в течение рейса. Активный waypoint передается в Guidance Mode Selector График Stateflow®, чтобы сгенерировать необходимый внутренний цикл управляет командами.

Используйте Инспектора Данных моделирования, чтобы визуализировать UAVState выход модели мультиротора.

Вы видите, что мультиротор занимает почти 150 секунд, чтобы завершить четыре waypoint пути с исходным набором усилений. Для того, чтобы улучшать эту производительность, повторно настройте ПИД-регуляторы, используемые в мультироторе.

Запустите автоматически настраивающуюся миссию

Если вы можете управлять основной миссией, вы готовы автоматически настроить циклы управления отношения и положения, чтобы улучшать производительность мультиротора. Система управления для этого примера содержит восемь ПИД-регуляторов. Система имеет четыре каскадных цикла управления. Каждый цикл содержит два контроллера, один для каждой оси. Эта схема показывает, как эти восемь контроллеров настраиваются с блоками Автотюнера ПИДа С обратной связью для того, чтобы выполнить автоматическую настройку.

Блоки Автотюнера ПИДа С обратной связью вводят сигналы возмущения к выходу каждого из восьми существующих ПИД-регуляторов. Автотюнеры затем используют сигналы обратной связи и выход ПИД-регуляторов для того, чтобы выполнить процесс автоматической настройки. За исключением самых внутренних циклов управления, уровня продольного и поперечного крена, эти две оси, которыми управляют, разъединяются друг от друга. Например, x скорость и y скоростные циклы разъединяются друг от друга. Это позволяет вам настраивать эти два цикла одновременно, который уменьшает полное время, чтобы выполнить автоматическую настройку. Для уровня тангажа и циклов уровня крена, настройте циклы управления последовательно, потому что они связываются. Это приводит к следующей последовательности для настройки ПИД-регуляторов:

Кликните по ярлыку проекта ПИД-регуляторов Автоматической настройки, который настраивает модель, чтобы навести на низкой высоте и автоматически настроить эти четыре ПИД-регулятора, затем запускает ту же четыре-waypoint миссию от первого шага.

Блоки Автотюнера ПИДа С обратной связью для каждого цикла управления настраиваются с различными критериями эффективности в зависимости от цикла управления. Для каскадного управления, такого как используемый в этом примере, внутренний цикл должен иметь более высокую полосу пропускания, чем внешний контур, чтобы избежать нестабильности. В данном примере это означает, что циклы управления уровня продольного и поперечного крена имеют самую высокую полосу пропускания, в то время как циклы управления положения X и Y имеют самые медленные полосы пропускания.

Настройки, используемые для циклов уровня продольного и поперечного крена:

Настройки, используемые для циклов продольного и поперечного крена:

Настройки, используемые для скоростных циклов X и Y:

Настройки, используемые для циклов положения X и Y:

Чтобы максимизировать эффективность, полоса пропускания для циклов уровня продольного и поперечного крена установлена в 50 рад/секунда. Время выборки ${\mathit{T}}_{\mathit{s}}$ из UAV система управления составляет 0,005 секунды, и Автотюнер ПИДа С обратной связью требует что полоса пропускания $\omega$ должен удовлетворить $\omega {\mathit{T}}_{\mathit{s}}\le 0.3$, что означает, что полоса пропускания должна быть 60 рад/секунда или меньше. Выберите полосу пропускания, таким образом, что она меньше необходимых 60 рад/секунда. Другие полосы пропускания собираются быть как можно больше, в то время как не порождение устойчивости выходит с внутренними циклами.

Запас по фазе для каждого цикла установлен в 60 градусов, когда это значение обычно является хорошим компромиссом между эффективностью и затуханием. Это поле является настройкой по умолчанию для блока Closed-Loop PID Autotuner.

Амплитуды возмущения установлены таким образом, что они меньше 5% максимального ожидаемого выхода отдельных контроллеров. Если значение для возмущений слишком высоко, оно может заставить мультиротор становиться нестабильным во время настройки. Если значение для возмущений является слишком низким, автотюнер не может получить точную оценку объекта, и расчетные усиления не могут соответствовать желаемой полосе пропускания или запасу по фазе.

Настройки для отдельных циклов содержатся в словаре данных, uavPackageDeliveryDataDict.sldd. Следующие изображения показывают выборку того, как войти, эти настройки в блоках Автотюнера ПИДа С обратной связью раньше настраивали тангаж угловой уровень.

Запустите uavPIDAutotuning модель, которая показывает взлет мультиротора, наводит, автоматически настраивает ПИД-регуляторы, муху и землю в 3-D графике.

Используйте Инспектора Данных моделирования, чтобы визуализировать UAVState выход модели мультиротора.

Как вы видите, мультиротор наводит сроком на время для того, чтобы выполнить автоматическую настройку. После того, как процесс автоматической настройки завершен, приблизительно 185 секунд в симуляцию, мультиротор следует за тем же четырьмя-waypoint путем как в первом шаге проекта, но quadcopter может завершить путь в намного более короткое время из-за настроенных усилений, увеличивающих эффективность.

Эти графики показывают ответы положения и отношения для мультиротора по пути. Синяя линия показывает эффективность мультиротора с исходным набором усилений, в то время как красная линия показывает эффективность мультиротора с настроенными усилениями. С настроенным набором усилений мультиротор может завершить путь приблизительно через 45 секунд. Между тем, с исходным набором усилений, мультиротор занимает почти 150 секунд.

Во время процесса автоматической настройки коэффициенты усиления обновляются для этих восьми контроллеров:

Автоматическая настройка Высоты и Заголовок/Рыскание Циклов управления

В этом примере вы изучили, как автоматически настроить P, я, D и N получаем для четырех отдельных парных циклов управления, используемых для управления отношением и положением. Однако эта модель в качестве примера содержит еще два цикла управления, один для высоты и один для угла рыскания или заголовка. Используя ту же методологию для автоматической настройки представленного в этом примере, можно добавить Автотюнер ПИДа С обратной связью в один или оба из этих других циклов управления и выполнить процесс автоматической настройки.

Для того, чтобы настроить контроллеры для любого из этих циклов, гарантируйте, что настройка происходит только, когда настройка не запускается для других контроллеров. Можно или отключить настройку других контроллеров, или можно настроить эти контроллеры после того, как настройка завершилась для контроллеров положения и отношения.

Когда вы закончите исследуя модели, закройте файл проекта.

close(prj)