Produkte & Dienstleistungen


Hauptmerkmale

  • Automatische Optimierung von PID-, Gain-Scheduling- und beliebigen SISO- und MIMO-Regelungssystemen in Simulink®
  • Automatischer PID-Abstimmungsalgorithmus für embedded Software Arbeitspunktberechnung (Trimmen) und Linearisierung von Modellen
  • Frequenzgangschätzung aus Simulationsdaten
  • Batch-Linearisierung für veränderliche Parameter und Arbeitspunkte
  • Numerische Optimierung von Reglern, um Anforderungen im Zeit- und Frequenzbereich zu erfüllen (mit Simulink Design Optimization™)

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 Regelungssystemen

Mit Simulink Control Design™ können Sie eine systematische Optimierung von Regelungssystemen durchführen, die in Simulink mit SISO- und MIMO-Entwurfsmethoden modelliert wurden. Das Produkt unterstützt mehrere Ansätze für Regelungsentwürfe, einschließlich automatische Optimierung von PID-Reglern, interaktive Optimierung von Reglern 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 Parameteroptimierung für PID-Regler. Das Produkt bietet zwei Methoden zur Abstimmung von PID-Reglern in Simulink: die transferfunktionsbasierte und die frequenzgangbasierte Methode.

Bei der transferfunktionsbasierten Methode können Sie eine Initialoptimierung des PID-Reglerblocks in Simulink mit einem einzigen Klick durchführen. Das Produkt linearisiert das Simulink-Modell, um ein lineares Streckenmodell zu erhalten. Das Produkt nutzt dann das linearisierte Streckenmodell und eine spezielle Optimierungsmethode, die die PID-Verstärkungsfaktoren auf Grundlage der gewünschten Eigenschaften der geschlossenen Regelschleife berechnet. Anhand einer Analyse der Systemdynamik wird eine initiale Reglerparametrierung vorgeschlagen. Sie können danach noch 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 Sprungantwort-Diagramm und ein Open-Loop-Bode-Diagramm verwenden, um die Eigenschaften des aktuellen Entwurfs mit dem Entwurf der entsprechenden initialen Reglerparameter zu vergleichen.

Die transferfunktionsbasierte Methode nutzt ein parametrisches lineares Streckenmodell. Wenn ein Simulink-Modell aufgrund von Unstetigkeiten wie der Pulsweitenmodulation (PWM) nicht linearisieren kann, dann können Sie ein alternatives lineares Streckenmodell erstellen, indem Sie die Eingabe-/Ausgabedaten einer Simulation mithilfe der Systemidentifikation verwenden (dies erfordert die System Identification Toolbox™).

Entwurf eines PID-Reglers für einen Gleichstrommotor in Simulink. Aufbau einer geschlossenen Reglerschleife mit einem PID-Regler, Abgleich der Reglerparameter mittels PID-Tuner.
Entwurf eines PID-Reglers für eine Regelstrecke, die nicht linearisiert werden kann. Verwendung der Systemidentifikation zur Ermittlung des Übertragungsverhaltens der Regelstrecke aus den Ein/Ausgangsdaten der Simulation.

Alternativ können Sie die frequenzgangbasierte Methode verwenden. Diese Methode schätzt einige Punkte des Frequenzgangs der Regelstrecke aus Simulationsläufen und verwendet diesen Frequenzgang, um die PID-Parametrierung automatisch zu berechnen.

Verwendung der Frequenzgangmethode zur Beschreibung der Regelstrecke, die wegen der Pulsweitenmodulation nicht direkt linearisiert werden kann, für den automatischen Abgleich eines PID-Reglers

Abgleichen von SISO-Reglern

Simulink Control Design bietet eine Control System Designer-App für das Abgleichen von SISO-Regelkreisen direkt in Simulink unter Verwendung der grafischen und automatischen Abgleichsfunktionen der Control System Toolbox™. Sie können jede linearisierbare Regelungsarchitektur verwenden, die Sie in Simulink aufbauen. Zu den abgleichbaren Simulink-Blöcken gehören Verstärkungsblöcke, Transferfunktion, Pol/Nullstellen-Blöcke, Zustandsraum-Blöcke und PID-Regler. Simulink Control Design ermittelt automatisch die relevanten Schleifen für die abgleichbaren Blöcke und startet eine vorkonfigurierte Sitzung der Control System Designer-App.

Reglerentwurf für Kaskadenregler
Abgleich eines regelungssystems mit 2 kaskadierten Reglern

Die Control System Designer-App ermöglicht:

  • Grafische Optimierung mehrerer kontinuierlicher oder diskreter SISO-Regelkreise
  • Beobachtung der gegenseitigen Beeinflussung von Regelschleifen und Kopplungseffekten während des Parameterabgleichs
  • Entwurf von Reglern mithilfe von systematischen Entwurfsalgorithmen, wie z. B. PID-Reglerabgleich nach der „Robust Response Time“-Methode, PID-Entwurf nach Ziegler-Nichols, IMC-Entwurf oder LQG-Entwurf
  • Optimierung von Regelkreisen zur Erfüllungvon Anforderungen im Zeit- und Frequenzbereich (erfordert Simulink Design Optimization)
  • Direkte Optimierung von Simulink-Blockparametern, einschließlich der PID-Verstärkungsfaktoren, der Pol-/Nullstellen-Parameter und Parametern in maskierten Blöcken
  • Untersuchung der Antwort des geschlossenen Regelkreises bzgl. des Führungsverhaltens, oder der Störunterdrückung
  • Rückschreiben der optimierten Parameterwerte in Ihr Simulink-Modell zur Verifizierung im nichtlinearen Gesamtsystem

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 Reglerparameter, um Anforderungen im Zeit- und Frequenzbereich zu erfüllen.

Optimieren Sie zwei Kaskaden-Rückkopplungsschleifen.

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 entsprechend der Anforderungen im Zeit- und Frequenzbereich.


Abgleich von MIMO-Reglern

Mithilfe der Control System Tuner-App können Sie Parameter von dezentralen Reglern, die in Simulink modelliert wurden, automatisch abgleichen. Sie können die Toolbox verwenden, um eine Linearisierung Ihres Simulink-Modells automatisch zu berechnen und zu speichern. Simulink Control Design erstellt automatisch ein abgleichbares Modell der in dem Simulink-Modell angegebenen Regelungsarchitektur. Sie können:

  • Simulink-Modellblöcke angeben, die abgeglichen werden müssen
  • Anforderungen für den Abgleich angeben
  • Die angegebenen Blöcke automatisch abgleichen, 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 in Reglerstrukturen inneren und äußeren Schleifen automatisch optimieren, ohne die Architektur des Regelungssystems zu verändern.

Entwurf eines Reglers mit Entkopplungsnetzwerk für eine Destillationsanlage in Simulink Control Design

Optimierung von Reglern mit Gain-Scheduling

Gain-Scheduling ist eine lineare Technik zur Regelung nichtlinearer oder zeitvarianter Strecken. Sie umfasst die Berechnung linearer Näherungen der Regelstrecke in unterschiedlichen Arbeitspunkten, das Optimieren von Reglerparametern in den Arbeitspunkten und das Planen von Reglerparametern, wenn die Regelstrecke die Betriebsbedingungen ändert. Simulink Control Design enthält Tools für die automatische Berechnung von Parametertabellen für die Regelungssysteme mit fester Struktur. Sie können:

  • Simulink-Modelle in mehreren Arbeitspunkten automatisch trimmen und linearisieren
  • Reglerparametertabellen als Funktionen von Planungsgrößen parametrisieren
  • Ein lineares parameterveränderliches (LPV)-Modell erstellen, das das System in seinem gesamten Betriebsbereich darstellt
  • Optimierungsanforderungen wie z. B. Folge- und Störungsunterdrückungsverhalten festlegen
  • Reglerparametertabellen automatisch optimieren, um die Anforderungen bei allen Betriebsbedingungen zu erfüllen
  • Parameter der Simulink-Lookuptabelle, Interpolationsarten bzw. der MATLAB®-Funktionsblöcke durch Implementierung des Reglers mit optimierten Reglerparametern aktualisieren
Erstellung von Reglerparametertabellen für eineAutopilotenregelung.

Automatischer Abgleich von PID-Reglern in embedded Software

Simulink Control Design bietet einen Online-PID Tuner-Block zum Abgleich eines PID-Reglers in Echtzeit entsprechend einer physischen Regelstrecke. Mit diesem Block können Sie einen PID-Regler so abgleichen, dass eine spezifizierte Bandbreite und ein Phasenrand erzielt werden, ohne dass ein parametrisches Anlagenmodell oder ein anfänglicher Reglerentwurf erforderlich ist. Der Block automatisiert die Erfassung der Eingangs-Ausgangs-Daten aus der Hardware und die Identifizierung der Systemdynamik. Der Algorithmus ist so angelegt, dass er mit asymptotisch stabilen Anlagen funktioniert, er benötigt kein Modell der Anlagendynamik.

Um eine modellfreie Abstimmung zu erzielen, unternimmt der Online-PID Tuner-Block Folgendes:

  • Er öffnet die Rückkopplungsschleife und bringt am nominalen Betriebspunkt ein Testsignal in die Anlage ein, um Ein- und Ausgangsdaten der Anlage in Echtzeit zu erfassen. Die Rückkopplungsschleife wird am Ende des Experiments geschlossen.
  • Er stimmt die PID-Reglerparameter entsprechend des aus den Eingangs-/Ausgangs-Daten geschätzten Frequenzgangs ab, um die gewünschte Bandbreite und den gewünschten Phasenrand zu erzielen.
  • Er aktualisiert den PID-Reglerblock oder andere PID-Regler mit den abgestimmten Parametern, wodurch Sie das Closed-Loop-Eigenschaften in Echtzeit überprüfen können.

Sie können die Experimenteinstellungen wie Sinus- und Schrittamplituden konfigurieren und Beginn und Ende des Abstimmungsvorgangs auslösen.

Mit dem Simulink Coder™ können Sie C-Code generieren, um den Abstimmungsalgorithmus in embedded Software zu implementieren, sodass ein Abgleich mit oder ohne Simulink in der Schleife möglich ist. Für die embedded Applikation wird empfohlen, den Algorithmus mit Bedacht zu verwenden und eine Sicherheitslogik zu entwerfen und zu implementieren, um unsichere Bedingungen zu verhindern.

Zusätzlich zum oben beschriebenen embedded Applikationsszenario können Sie den Online-PID Tuner-Block für den Prototypenentwicklungs-Workflow verwenden, mit dem Sie eine Anwendung steuern, die auf dem Ziel ausgeführt wird. Dabei wird der external Mode verwendet. Ein Beispiel: Wenn bei der Ausführung des generierten Codes bei Simulink Real-Time™ auf dem Arduino® oder anderer kostengünstiger Hardware der external Mode verwendet wird, so können Sie auf Wunsch Code ausschließlich für den Teil des Algorithmus generieren, der ein Open-Loop-Experiment durchführt und den Streckenfrequenzgang schätzt. Die speicherintensive PID-Parameterberechnung kann dann auf einem Hostcomputer ausgeführt werden. Mithilfe des external Modes können Sie interaktiv Beginn und Ende des Experiments steuern und die berechneten PID-Reglerparameter am MATLAB-Workspace speichern.



Trimmen des Modells

Beim Entwurf von linearen Regelungssystemen sind typischerweise mehrere Arbeitspunkte zu berücksichtigen, um den verschiedenen Betriebsbereichen eines nichtlinearen Modells Rechnung zu tragen. Simulink Control Design bietet eine grafische Benutzeroberfläche, um die Arbeitspunkte des Modells zu bestimmen. Sie können:

Sie können diese Arbeitspunkte verwenden, um eine Simulation stationär oder als Basis für die Linearisierung und den Reglerentwurf zu initialisieren.

Trimmen und linearisieren eines ichtlinearen Flugzeugmodells und Verwendung des linearen Modells für den Entwurf eines Pitch-Raten-Dämpfungsreglers

Linearisierung des Modells

Simulink Control Design ermöglicht eine Linearisierung von kontinuierlichen, diskreten und Multiraten-Simulink-Modellen. Mit grafischen Markern zur Definition von Linearisierungs-Ein- und Ausgangssignalen und für die Öffnung einer Regelschleife können Sie das ganze Modell, einen Teil des Modells oder einen einzelnen Block bzw. ein Untersystem linearisieren. Die Marker können für die Open-Loop- und Closed-Loop-Analyse verwendet werden. Das Setzen der Marker und die Analyse des Regelkreises 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 Advisor zur Verfügung, um die Auswirkung der Linearisierung auf jeden einzelnen Blocks in Ihrem Simulink-Modell zu visualisieren sowie Linearisierungsprobleme zu lösen. Sie können zusätzlich das lineare Verhalten von Blöcken in Ihrem Modell direkt vorgeben, entweder als Verstärkungsmatrix oder als LTI-Modell, wodurch Sie die Flexibilität erhalten, Simulink-Modelle mit Unstetigkeiten oder ereignisbasierten Komponenten zu linearisieren, wie z. B. Stateflow®-Diagramme oder signalbasierte PWM-Systeme.

In Kombination mit der Robust Control Toolbox™ können Sie ein lineares Modell mit Unsicherheiten berechnen, indem Sie unsichere Werte für Transferfunktionen und Verstärkungen direkt im Modell angeben. Das daraus entstehende lineare Modell mit Unsicherheiten 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 diese Skripte entweder selbst verfassen oder automatisch MATLAB-Code an der grafischen Benutzeroberfläche erstellen. Sie können das Trimmen und die Linearisierung im Batch-Modus zur Berechnung einer linearen Näherung eines Simulink-Modells für eine Reihe unterschiedlicher Strecken- oder Reglerparameterwerte verwenden. Beispielsweise können Sie Ihr System mit mehreren Werten für Streckenkoeffizienten, Reglerverstärkungen oder Regler-Abtastzeiten linearisieren.

Erzeugung eines Skripts zur Trimmung und Linearisierung eines Simulink Modell sim Batch Modus

Berechnen des Frequenzgangs eines 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 eines Modells, wenn Linearisierungsmethoden nicht zielführend sind, wie z. B. bei Modellen, die durch starke Unstetigkeiten oder ereignisbasierte Dynamiken beschrieben werden
  • Untersuchung der Auswirkung der Amplituden von Anregungssignalen auf den Amplituden und Phasengang eines nichtlinearen Systems

Mit Simulink Control Design können Sie die Anregungssignale definieren, wie z. B. Sinus-Sweeps oder Chirp-Signale, die für die Simulationen verwendet werden, 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.

Estimate the frequency response of a Simulink model using simulation.