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Simulink Control Design

Hauptmerkmale

  • Automatische Optimierung von PID-, Gain-Scheduling- und beliebigen SISO- und MIMO-Steuerungssystemen
  • Operationspunktberechnung (Trimmen) und Linearisierung von Modellen
  • Frequenzgangschätzung aus Simulationsdaten
  • Batch-Linearisierung für variierende Parameter und Betriebspunkte
  • Numerische Optimierung von Kompensatoren, um Zeitbereich- und Frequenzbereich-Anforderungen zu erfüllen (mit Simulink Design Optimization™)
Designing and analyzing control systems with Simulink Control Design.
Entwurf und Analyse von Regelungssystemen mit Simulink Control Design. Ein in Simulink modelliertes Regelungssystem (oben), die PID-Tuner-App (links) und das Bode-Diagramm der Open-Loop-Transferfunktion (rechts).

Entwurf und Optimierung von Steuerungs- und Regelungssystemen

Mit Simulink Control Design™ können Sie eine systematische Optimierung von Steuerungs- und Regelungssystemen durchführen, die in Simulink® mithilfe von SISO- und MIMO-Entwurfsmethoden modelliert wurden. Das Produkt unterstützt mehrere Ansätze für Regelungsentwürfe, einschließlich automatische Optimierung von PID-Reglern, interaktive Optimierung unter Verwendung von Wurzelortskurven und Bode-Diagrammen und automatische Optimierung von dezentralen MIMO-Architekturen.

Optimierung von PID-Reglern

Simulink Control Design bietet Funktionen zur automatischen Verstärkungsoptimierung für PID-Reglerblöcke von Simulink. Sie können die Anfangsoptimierung eines PID-Reglers mit einem einzigen Klick durchführen. Das Produkt linearisiert ein Simulink-Modell, um ein lineares Anlagenmodell zu erhalten. Wenn das Modell aufgrund von Unstetigkeiten wie Pulsweitenmodulation (PWM) auf null linearisiert, können Sie ein lineares Anlagenmodell erstellen, indem Sie Eingabe-/Ausgabedaten der Simulation mithilfe der Systemidentifikation verwenden (erfordert System Identification Toolbox™). Das Produkt nutzt dann das lineare Anlagenmodell und eine eigene Optimierungsmethode, die die PID-Verstärkungen auf Grundlage der gewünschten Closed-Loop-Leistung berechnet. Es wird ein anfänglicher Regler vorgeschlagen, auf Grundlage einer Analyse Ihrer Systemdynamik. Sie können dann die Reaktionszeit und das transiente Verhalten in der PID Tuner-App interaktiv anpassen. Die PID Tuner-App bietet außerdem verschiedene Diagramme, die Sie zur Analyse des Reglerverhaltens verwenden können. Sie können beispielsweise ein Diagramm zur Schrittreferenzverfolgung und ein Open-Loop-Bode-Diagramm verwenden, um die Leistung des aktuellen Entwurfs mit dem Entwurf der entsprechenden anfänglichen Verstärkungswerte zu vergleichen.

PID Controller Design for a DC Motor
Design a PID controller for a DC motor modeled in Simulink®. Create a closed-loop system by using the PID Controller block, then tune the gains of PID Controller block using the PID Tuner.

PID Controller Tuning for a Model with Discontinuities
Design a PID controller for a model that cannot be linearized. Use system identification to identify a plant model from simulation input-output data.

Optimierung von SISO-Reglern

Simulink Control Design bietet eine Control System Designer-App für die Optimierung von SISO-Regelkreisen direkt in Simulink unter Verwendung der grafischen und automatischen Optimierungsfunktionen der Control System Toolbox™. Sie können jede linearisierbare Regelungsarchitektur verwenden, die Sie in Simulink aufbauen. Zu den optimierbaren Simulink-Blöcken gehören Verstärkung, Transferfunktion, Zero-Pole, Zustandsraum und PID-Regler. Simulink Control Design ermittelt automatisch die relevanten Regelkreise für die abgestimmten Blöcke und startet eine vorkonfigurierte Sitzung der Anwendung zum Entwerfen des Steuersystems.

Kaskaden-Feedbackgestaltung mit mehreren Regelkreisen/mehreren Kompensatoren (Beispiel)
Optimieren Sie zwei Kaskaden-Rückkopplungsschleifen.

Die Anwendung zum Entwerfen von Steuerungssystemen ermöglicht:

  • Grafische Optimierung mehrerer, kontinuierlicher oder diskreter SISO-Regelkreise.
  • Beobachtung von Regelkreisinteraktionen und Kopplungseffekten während der Parameteroptimierung
  • Berechnung von Kompensatorentwürfen mithilfe von systematischen Entwurfsalgorithmen, wie z. B. PID-Optimierung der robusten Reaktionszeit, PID-Optimierung von Ziegler-Nichols, IMC-Entwurf oder LQG-Entwurf.
  • Optimierung der Regelkreise, um Zeitbereich- und Frequenzbereich-Entwurfsanforderungen zu erfüllen (Simulink Design Optimization™ ist erforderlich)
  • Direkte Optimierung von Simulink-Blockparametern, einschließlich PID-Verstärkungen, Pol-Nullstellen-Transferfunktionen und maskierten Blöcken
  • Untersuchung der Closed-Loop-Antwort, wie z. B. Referenzverlauf oder die Fähigkeit eines Regelungssystems, eine Störung in jedem Teil des Modells abzuweisen
  • Rückschreiben der optimierten Parameterwerte auf Ihr Simulink-Modell zur Verifizierung mit dem gesamten nicht linearen System
Schnittstelle für die Optimierung eines Regelungssystems mit mehreren Regelkreisen.
Optimieren Sie ein Regelungssystem mit mehreren Regelkreisen, um die Zeitbereichsanforderungen (oben) und die Frequenzbereichsanforderungen (unten) gleichzeitig zu erfüllen.

Zusätzlich zur Control System Designer-App können Sie die Control System Tuner-App verwenden, um SISO-Regler zu optimieren, die in Simulink modelliert wurden. Die Control System Tuner-App optimiert automatisch Controllerparameter, um Zeitbereich- und Frequenzbereich-Anforderungen zu erfüllen.

Optimierung von MIMO-Reglern

Mit Simulink Control Design können Sie dezentrale Regler, die in Simulink modelliert wurden, mithilfe der Control System Tuner-App automatisch optimieren. Sie können die Toolbox verwenden, um eine Linearisierung Ihres Simulink-Modells automatisch zu berechnen und zu speichern. Simulink Control Design erstellt automatisch ein abstimmbares Modell der in einem Simulink-Modell angegebenen Regelungsarchitektur. Sie können:

  • Simulink-Modellblöcke angeben, die optimiert werden müssen
  • Optimierungsanforderungen angeben
  • Die angegebenen Blöcke automatisch optimieren, um den obligatorischen Anforderungen (Entwurfsbedingungen) zu entsprechen und die übrigen Anforderungen (Zielvorgaben) bestmöglich zu erfüllen
  • Ihren Entwurf durch Ausführen nichtlinearer Simulationen validieren

Mithilfe dieses Ansatzes können Sie komplexe multivariable Regler, die unter Verwendung von Simulink-Blöcken modelliert werden, automatisch optimieren. Sie können z. B. PID-Regler mit Innen- und Außenregelkreis in einem Regelungssystem mit mehreren Regelkreisen automatisch optimieren, ohne die Architektur des Regelungssystems zu verändern.

Automatic Tuning of a Multivariable Distillation Column Controller
Design a decoupling controller for a distillation column with Simulink® Control Design™.

Optimierung von Reglern mit Gain-Scheduling

Gain-Scheduling ist eine lineare Technik zur Steuerung nichtlinearer oder zeitunterschiedlicher Anlagen. Sie umfasst die Berechnung linearer Näherungen der Anlage bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, das Optimieren von Regler-Verstärkungen im Betriebszustand und das Planen von Regler-Verstärkungen, wenn die Anlage die Betriebsbedingungen ändert. Simulink Control Design enthält Tools für die automatische Berechnung von Verstärkungsplänen für Steuerungssysteme mit fester Struktur. Sie können:

  • Simulink-Modelle bei mehreren Betriebsbedingungen automatisch trimmen und linearisieren
  • Regler-Verstärkungsflächen als Funktionen von Planungsgrößen parametrisieren
  • Ein lineares parameterveränderliches (LPV)-Modell erstellen, das das System in seinem gesamten Betriebsbereich darstellt
  • Optimierungsanforderungen wie z. B. Verfolgungs- und Störungsunterdrückung festlegen
  • Verstärkungsflächen-Koeffizienten automatisch optimieren, um die Optimierungsanforderungen bei allen Betriebsbedingungen zu erfüllen
  • Parameter der Simulink-Nachschlagtabelle oder -Interpolationssätze durch Implementierung des Reglers mit optimierten Verstärkungswerten aktualisieren

Optimierung des Drei-Schleifen-Autopiloten mit Gain-Scheduling (Beispiel)
Erstellen Sie reibungslose Verstärkungspläne für einen Drei-Schleifen-Autopiloten.

Trimmen und Linearisierung von Simulink-Modellen

Trimmen des Modells

Beim Entwurf von linearen Regelungssystemen sind typischerweise mehrere Betriebspunkte zu berücksichtigen, um den verschiedenen Sollwerten eines nicht linearen Modells Rechnung zu tragen. Simulink Control Design verfügt über eine graphische Schnittstelle, um die Betriebspunkte des Modells zu bestimmen. Sie können:

Sie können diese Betriebspunkte verwenden, um eine Simulation stationär oder als Basis für Linearisierungs- und Reglerentwurf zu initialisieren.

Trimm-, Linearisierungs- und Regelungsentwicklung für ein Flugzeug
Trim and linearize a nonlinear aircraft model and use the resulting linear model to design a pitch rate damper controller.

Linearisierung des Modells

Mit Simulink Control Design können Sie kontinuierliche, diskrete und Multiraten-Simulink-Modelle linearisieren. Mit grafischen Anmerkungen zur Angabe zu Ein- und Ausgabesignalen für die Öffnung des Regelkreises und die Linearisierung können Sie das ganze Modell, einen Teil des Modells oder einen einzelnen Block bzw. ein Untersystem linearisieren. Die Signalanmerkungen können zur Open-Loop- und Closed-Loop-Analyse verwendet werden. Anmerkungen und Analyse sind nicht invasiv und beeinträchtigen nicht das Simulationsverhalten Ihres Modells.

Simulink Control Design berechnet das linearisierte Modell automatisch und ermöglicht es Ihnen, die Ergebnisse in einem Sprungantwort- oder Bode-Diagramm zu visualisieren. Es steht ein Linearization-Inspector zur Verfügung, um die Auswirkung jedes Blocks auf Ihr Simulink-Modell in der Linearisierung zu visualisieren. Sie können eine Feinabstimmung Ihrer Ergebnisse vornehmen, indem Sie das lineare Verhalten einer beliebigen Anzahl von Blöcken in Ihrem Modell angeben. Das lineare Verhalten kann als Verstärkungsmatrix oder als LTI-Modell angegeben werden, wodurch Sie die Flexibilität erhalten, Simulink-Modelle mit Unstetigkeiten oder ereignisbasierten Komponenten, wie z. B. Stateflow®-Diagramme oder signalbasierte Pulsbreiten-Modulationssysteme, zu linearisieren.

In Kombination mit der Robust Control Toolbox™ können Sie ein unsicheres lineares Modell berechnen, indem Sie unsichere Werte für Transferfunktionen und Verstärkungen direkt im Modell angeben können. Das daraus entstehende unsichere lineare Modell kann verwendet werden, um den Einfluss von Unsicherheiten auf die Stabilität und die Leistung Ihres Regelungssystems zu untersuchen.

Alle diese Tools verfügen über eine Befehlszeilen-API, um Skripte für das Trimmen und die Linearisierung im Batch-Modus zu schreiben. Sie können dieses Skript entweder selbst verfassen oder automatisch MATLAB®-Code in der grafischen Schnittstelle erstellen.

Trimmen und Linearisierung im Batch-Modus
Create a script to do batch mode trimming and linearization of Simulink® models.

Berechnen der Frequenzgänge des Modells

Simulink Control Design bietet Tools für die simulationsbasierte Berechnung des Frequenzgangs eines Modells. Sie können diese Tools für Folgendes verwenden:

  • Verifizierung der Ergebnisse einer Linearisierung
  • Berechnung des Frequenzgangs des Modells, wenn die Linearisierungsmethoden nicht angemessen sind, wie z. B. bei Modellen, die durch starke Unstetigkeiten oder ereignisbasierte Dynamiken beschrieben werden
  • Untersuchung der Wirkung von Anregungssignalamplituden auf die Verstärkung eines nicht linearen Systems und auf Phaseneigenschaften

Mit Simulink Control Design können Sie die Anregungssignale aufbauen, wie z. B. Sinus-Sweeps oder Chirp-Signale, die Simulationen ausführen, Daten erfassen und dann den Frequenzgang des Modells berechnen und Diagramme erstellen. Die zur Berechnung des Frequenzgangs verwendeten Algorithmen wurden dazu entwickelt, die Simulationszeit zu minimieren und unterstützen den Accelerator- und Rapid Accelerator-Modus in Simulink, um die Gesamtberechnung zu beschleunigen.

Frequenzgangschätzung
Estimate the frequency response of a Simulink® model using simulation.

Interaktive Auslegung von Reglern mit fortgeschrittenen Verfahren

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