Control System Toolbox

设计和分析控制系统

 

Control System Toolbox™ 为系统化地分析、设计和调节线性控制系统提供算法和应用程序。您可以将系统指定为传递函数、状态空间、零极点增益或频率响应模型。通过应用程序和函数(如阶跃响应图和波特图),您可以分析和可视化时域和频域中的系统行为。

您可以使用交互式方法(如波特回路整形和根轨迹方法)来调节补偿器参数。该工具箱可以自动调节 SISO 和 MIMO 补偿器,包括 PID 控制器。补偿器可以包括多个跨越若干反馈回路的可调节模块。您可以调节增益调度控制器并指定多个调节目标,如参考跟踪、干扰抑制和稳定裕度。您可以通过校验上升时间、超调量、稳定时间、增益和相位裕度及其他要求来验证您的设计。

开始:

线性模型

使用传递函数、状态空间和其他表示形式创建控制系统的线性模型。模型离散化。通过降阶来简化模型。

传递函数和状态空间模型

使用传递函数或状态空间表示形式创建线性时不变系统模型。处理 PID 控制器和频率响应数据。对 SISO 或 MIMO 以及连续或离散的系统建模。通过基本模型的串联、并联或反馈连接,构建复杂的框图。

模型离散化

使用命令行函数或交互式实时编辑器任务对动态系统模型重新采样,并在连续时间域和离散时间域之间转换模型。使用零阶保持器、Tustin、零点-极点匹配和其他速率转换方法。

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模型降阶

使用 Model Reducer 应用程序、实时编辑器任务或命令行函数,以交互方式减少工厂模型或控制器模型阶数,同时保留对您的应用程序很重要的动态。使用平衡截断、极点-零点简化或模式选择技术。

线性分析

直观显示时域和频域中的系统行为。计算系统特性,如上升时间、超调量和稳定时间。分析系统稳定性。

时域和频域分析

借助 Linear System Analyzer 应用程序,使用阶跃响应、脉冲响应、波特图、尼柯尔斯图、奈奎斯特图、奇异值分布和零极点分布图,查看和比较多个模型之间的时域响应和频域响应。检查上升时间、稳定时间和最大超调量等特性。

稳定性分析

计算幅值裕度、相位裕度和穿越频率。以图形和数值方式检查动态系统的极点和零点位置。计算线性模型极点的阻尼比、自然频率和时间常量。

计算增益裕度、相位裕度和交界频率。

无源性和区域边界

计算线性时不变系统无源性的各种测量值。分析系统的无源性和任意锥形区域边界。

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PID 控制

使用自动和交互式调节工具调节 PID 控制器增益。

PID 调节

使用 PID Tuner 应用程序、实时编辑器任务或命令行函数自动调节 PID 控制器增益,以平衡性能和鲁棒性。指定调节参数,如所需的响应时间和相位裕度。调节连续或离散 PID 控制器。

对象动态的交互式估计

借助 System Identification Toolbox™,使用直接在 PID Tuner 应用程序中的测量输入输出数据创建对象模型。或者使用实时编辑器来识别工厂动态并调整 PID 控制器。

2-DOF PID 控制

调节二自由度 (2-DOF) PID 控制器。使用 2-DOF PID 控制器替代一自由度 (1-DOF) PID 控制器,以实现更好的干扰抑制,而不会显著增加设定值跟踪中的超调量。

在 PID Tuner 应用程序中调节 2-DOF PID 控制器(实线),并将其与 1-DOF PID 控制器(虚线)相比较

补偿器设计

交互式设计和分析控制系统。

使用根轨迹图和波特图进行交互式设计

使用 Control System Designer 应用程序,交互式设计和分析 SISO 控制系统。使用根轨迹图、波特图和尼柯尔斯图,以图形化方式调节通用控制组件,如 PID、超前/滞后网络和陷波滤波器。

闭环响应监控

使用可随控制器的调节而动态更新的阶跃响应、奈奎斯特图和其他绘图,实现闭环和开环响应可视化。指定并评估时域和频域设计要求,如上升时间、最大超调量、幅值裕度和相位裕度。

多回路设计

调节由多个 SISO 回路组成的控制器。按顺序相继闭合 SISO 回路,实现回路交互可视化,并以迭代方式调节每个回路,以优化总体性能。

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自动调节

自动调节控制系统,以满足高层次设计需求。

SISO 和 MIMO 回路

使用 Control System Tuner 应用程序或命令行函数,对包含简单可调元素(如增益、PID 控制器或低阶滤波器)的 SISO 或 MIMO 控制系统架构进行建模和调节。联调多回路控制系统中的多个回路。

时域和频域目标

指定调节要求并将其可视化,如跟踪性能、干扰抑制、噪音放大、闭环极点位置和稳定裕度。自动调节控制器参数,以满足必备要求(设计限制)并尽量符合其余要求(目标)。

针对一组对象模型进行调节

设计对于因参数变化、工况改变以及传感器或作动器故障而产生的对象动态变化表现稳健的控制器。

设计对于对象参数变化表现稳健的控制器。

增益调度

设计并调节非线性或时变对象的增益调度控制器。

Simulink 中的增益调度控制器

在 Simulink® 中使用 Varying PID Controller、Varying Transfer Function、Varying Notch Filter 和 Varying Lowpass Filter 等模块对增益调度控制系统建模。

在 Simulink 中对增益调度控制器建模所用的库。

增益曲面调节

自动调节增益曲面系数,以满足整个系统工作包线的性能要求,在各工作点之间实现平滑的过渡。指定不同工况下的要求。在完整的设计工作范围内验证调节结果。

状态估计和 LQG 设计

使用状态空间控制设计方法,如 LQG/LQR 和极点配置算法。设计观测器,包括线性和非线性卡尔曼滤波器。

LQR/LQG 和极点配置

设计连续和离散线性二次型调节器 (LQR) 和线性二次型高斯 (LQG) 控制器。计算反馈增益矩阵,以在所需位置放置闭环极点。

卡尔曼滤波器

设计和仿真线性稳态和时变卡尔曼滤波器。使用 MATLAB Coder™ 和 Simulink Coder™ 为这些滤波器生成 C/C++ 代码。

非线性状态估计器

在 MATLAB® 和 Simulink 中使用扩展卡尔曼滤波器、无味卡尔曼滤波器或粒子滤波器估计非线性系统的状态。使用 MATLAB Coder 和 Simulink Coder 为这些滤波器生成 C/C++ 代码。

Simulink 中的控制设计

分析和调节在 Simulink 中建模的控制系统。

线性分析

使用 Simulink Control Design™ 中的线性分析工具将 Simulink 模型线性化。借助阶跃响应、脉冲响应、波特图、尼柯尔斯图、奈奎斯特图、奇异值分布和零极点分布图,计算线性化模型的时域响应和频域响应。

补偿器设计

使用 Simulink Control Design 以图形化方式调节在 Simulink 中建模的 SISO 反馈回路。借助交互式波特图、根轨迹图和尼柯尔斯图等图形编辑器设计控制器,添加、修改和删除控制器极点、零点和增益。

补偿器调节

自动调节在 Simulink 中建模的 PID 控制器的增益。借助 Simulink Control Design 中的 Control System Tuner 应用程序或命令行工具,自动调节在 Simulink 中任何数量反馈回路中分布的控制元件的增益和动态。

最新特性

实时编辑器任务

交互式执行模型转换和控制设计任务,并在实时脚本中生成MATLAB 代码

关于这些特性和相应函数的详细信息,请参阅发行说明