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MATLAB® & Simulink®於控制系統開發

控制系統的設計、測試、與實現

控制系統工程師在開發流程的各階段都可以使用 MATLABR和SimulinkR – 從受控體(plant)建模到設計並調整控制演算法和監督邏輯,一直到透過自動產生程式碼以進行部署和系統的驗證、功能檢驗和測試。MATLAB和Simulink提供了:

  • 以模塊呈現的多領域環境,可用於建立受控體動態模型、設計控制演算法和執行閉迴路模擬
  • 使用系統辨識或物理建模工具的受控體建模
  • 預建立的函式和互動式工具,用於以時域和頻域中分析過衝(overshoot)、上升時間、相位裕度(phase margin)、增益裕度(gain margin)以及其他性能和穩定性特性
  • 根軌跡圖、波德圖(Bode diagrams)、LQR、LQG、強韌控制(robust control)、模型預測控制(model predictive control),以及其他設計和分析技巧
  • 自動調節PID、經過增益規劃的和任意的SISO與MIMO控制系統
  • 監督邏輯的建模、設計和模擬,用於執行規劃、模式開關以及故障偵測、隔離與恢復 (FDIR)

“使用 MathWorks 工具進行以模型為基礎的設計(model-based design),我們不僅模擬了設計控制演算法,還能對物理硬體進行模擬。通過自動產生控制軟體和測試平臺的程式碼,我們縮短了開發時間並快速實現變更。我們將模擬和測試結果視覺化,這使我們對最終部署的設計充滿信心。”

David Gendre, Astrium

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MATLAB與Simulink與控制系統開發

受控體動態的建模和模擬

用MATLAB和Simulink建立準確的受控體模型。利用各種支援的建模方法描述受控體的複雜動態,並使用對受控體的每個元件最合適的方法來建立系統層級的受控體模型。

在不完全得知模型的詳細結構時,使用系統辨識功能通過輸入-輸出資料評估受控體動態。或者,使用物理建模工具建立複雜的多領域受控體模型,無需推導出原理方程。使用代表機械、電氣、電磁、液壓、氣動和熱元件的模塊來繪製元件拓撲和系統的物理連結。

設計和調整回饋補償器

設計和調整回饋補償器

分析和開發閉迴路補償器,以及評估關鍵性能參數,如過衝(overshoot)、上升時間和穩定裕度。對非線性Simulink模型進行修整和線性化。還可以建利不確定因素的模型並分析其對於模型性能和穩定性的影響。

利用波德圖、根軌跡圖和其他線性控制設計技巧,並在模擬模型時或在測試硬體上自動調節PID控制器。您可以使用預先建立的工具自動調節離散的多變數控制器,並利用模型預測控制和強韌控制等高級控制策略。使用優化方法計算控制器增益,從而滿足上升時間和過衝的限制條件。

監督邏輯的設計和模擬

監督邏輯的設計和模擬

Stateflow能夠對控制系統中的監督邏輯進行建模、設計和模擬,以規劃控制器的運轉,控制系統的操作模式,執行故障檢測、隔離與恢復(FDIR)。

使用圖形化編輯器以狀態機或流程圖的形式建立邏輯。你還可以將包含狀態轉換圖、流程圖、狀態轉換表和真值表等圖形標記法(graphical representations)和表格標記法(tabular representations)結合在一起,建立系統對事件、基於時間的條件以及外部輸入信號的反應方式之模型。通過使用狀態圖動畫突顯模型中的活動狀態和轉移,來實現系統模擬行為的視覺化。

將設計部署於嵌入式控制器

將設計部署於嵌入式控制器

控制系統演算法設計完成後,可以再為後續的實現加以優化。你可以使用定點演算法指定設計的定點資料類型屬性,為實現做好準備。在封閉迴路桌面模擬過程中驗證控制演算法之後,透過自動產生 C、結構化文字或HDL程式碼,將它們部署到可用於生產的微控制器、PLC 和 FPGA。

接下來,可以持續測試和驗證控制系統。通過在嵌入式控制器上執行控制演算法,以及在連接到控制器上的目的電腦上即時運行物件模型,來執行硬體迴圈 (HIL) 測試。你可以使用正式的驗證方法進一步驗證和測試控制系統。