Simulink Control Design

Hauptmerkmale

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-Oberfläche (links) und das Bode-Diagramm der Open-Loop-Transferfunktion (rechts).

Optimierung von PID-Reglern

Simulink Control Design bietet Funktionen zur automatischen Parameteroptimierung 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 Streckenmodell zu erhalten. Wenn das Modell aufgrund von Unstetigkeiten wie Pulsweitenmodulation (PWM) auf null linearisiert, können Sie ein lineares Streckenmodell erstellen, indem Sie Ein- und Ausgangswerte der Simulation, erstellt mithilfe der Systemidentifikation, verwenden (erfordert System Identification Toolbox™).

Das Produkt nutzt dann das lineare Streckenmodell und eine eigene Optimierungsmethode, die die PID-Parameter auf Grundlage des gewünschten Verhaltens des geschlossenen Regelkreises berechnet. Basierend auf einer Analyse der Systemdynamik wird Ihnen ein anfänglicher Regler vorgeschlagen. Sie können dann die Reaktionszeit und das Einschwingverhalten im PID-Regler interaktiv anpassen. Der PID-Regler bietet außerdem verschiedene Diagramme, die Sie zur Analyse des Reglerverhaltens verwenden können. Sie können beispielsweise ein Sprungantwortdiagramm und ein Open-Loop-Bode-Diagramm verwenden, um das Verhalten des aktuellen Entwurfs mit dem Verhalten der entsprechenden anfänglichen Parameterwerte 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.

Trimmen und Linearisierung von Simulink-Modellen

Trimmen des Modells

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

Sie können diese Arbeitspunkte verwenden, um eine Simulation im eingeschwungenen Zustand zu initialisieren oder als Basis für Linearisierungs- und Reglerentwurf zu verwenden.

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 Markierungen, die den offenen Regelkreis markieren sowie Ein- und Ausgänge der Linearisierung lässt sich das gesamte Modell, Teile eines Modells oder ein einzelner Block oder Subsystem linearisieren. Die Markierungen können zur Open-Loop- und Closed-Loop-Analyse verwendet werden. Sowohl die Markierungen als auch die Analyse sind nicht invasiv und verändern 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®-Diagrammen oder signalbasierten Pulsbreiten-Modulationssystemen zu linearisieren.

In Kombination mit der Robust Control Toolbox™ können Sie eine Schar linearer Modelle berechnen, indem Sie einen Parameterraum für  Modellparameter angeben. Die daraus entstehende Modellschar kann verwendet werden, um den Einfluss von Sensibilitäten auf die Stabilität und die Leistung Ihres Regelungssystems zu untersuchen.

Alle diese Tools verfügen über eine Kommandozeilen-API, um Skripte für das Trimmen und Linearisieren im Batch-Modus zu schreiben. Sie können dieses Skript entweder selbst verfassen oder automatisch MATLAB-Code  in der graphischen Oberfläche 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 Parameter eines nicht linearen Systems und auf die Phasencharakteristik.

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.

Entwurf und Analyse von Steuerungs- und Regelungssystemen in Simulink

Simulink Control Design bietet eine graphische Oberfläche für die Optimierung von Regelkreisen direkt in Simulink unter Verwendung der grafischen und automatischen Optimierungsfunktionen der Control System Toolbox. Sie können jede in Simulink aufgebaute Regelungsarchitektur verwenden, die linearisierbar ist. Zu den optimierbaren Simulink-Blöcken gehören Gain, Transfer Function, Zero-Pole, State-Space und PIC Controller. Simulink Control Design ermittelt automatisch die relevanten Regelkreise für die optimierten Blöcke und startet die fertig voreingestellte App Control System Designer.

Designing a Controller: Wheel Loader
Design a compensator (PID, etc.) to control a mechatronic system. Use linear control theory to design a control system.

Die App Control System Designer ermöglich Ihnen:

  • 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. der PID-Optimierung der robusten Reaktionszeit, PID-Optimierung nach Ziegler-Nichols, IMC-Entwurf oder LQG-Entwurf
  • Optimierung der Regelkreise, um Zeit- und Frequenzbereich-Anforderungen zu erfüllen (Simulink Design Optimization ist erforderlich)
  • Direkte Optimierung von Simulink-Blockparametern, einschließlich PID-Parametern, Pol-Nullstellen-Transferfunktionen und maskierten Blöcken
  • Untersuchung der Closed-Loop-Antwort, wie z. B. Referenzverlauf oder die Fähigkeit eines Regelungssystems, auf eine Störung in einem beliebigen Teil des Modells zu reargieren
  • Rückübertragung der optimierten Parameterwerte auf Ihr Simulink Modell zur Verfikation mit dem gesamten nichtlinearen System
Optimizing  a multi-loop control system to simultaneously meet frequency-domain and time-domain requirements.
Optimieren Sie ein Regelungssystem mit mehreren Regelkreisen, um die Anforderungen sowohl im Zeitbereich (links) als auch im Frequenzbereich (rechts) gleichzeitig zu erfüllen. Die zu optimierenden Reglerparameter werden in einer graphischen Oberfläche angegeben (oben).

Einführung in Simulink – Modellbasiertes Entwickeln mechatronischer Systeme

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