Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Пакеты расширения MATLAB. Control System Toolbox и Robust Control Toolbox

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
1 Мб
Скачать
Глава 5. Связь Control System и Robust Control Toolboxes с Simulink 211
SISO Models и оттуда введем эти модели в соответствующие поля системы так, как это было описано в разделе 2.2.1. Затем вызовем пункт меню File/Export, при этом откроется окно SISO Tool Export, в котором среди прочих будут находиться наши системы G, H, F, C. Выделим их и сделаем щелчок по надписи «Export to Disc»; в открывшемся окне введем название файла, например, ex1.mat и выполним запоминание (Save). После этого выполним команду в меню Tools/Draw Simulink Diagram. Появится модель SIMULINK, изображенная на рис. 5.11 (названия блоков переве­дены на русский язык). Присвоим этой модели имя ex1.mdl. В пункте меню этой модели File/Model Properties/Callbacks/Model initialization function введем: load ex1.
Ðèñ. 5.11. Схема регулирования с опережающей связью
Теперь эта модель может работать независимо от SISO Design Tool. Можно изменять и добавлять входные и выходные блоки, использовать эту модель в составе более сложных моде­лейит.д.
Рассмотрим другой пример. Пусть в Simulink создана модель, изображенная на рис. 5.12, с передаточными функциями объекта (2.24) при T
T
= 1. Модель создана на основе 4-х блоков LTI System. Переда-
2
= Ta= 0.1, Kd= 1 и регулятора (2.2) при T1= 0.1,
m
точные функции F = H = 1. Имя модели — Еха1. Моделирование показывает, что система является неустойчивой, и для выбора ее параметров решено применить SISO Design Tool. Для этой цели вызовем в командном окне sisotool, выберем пункт меню File/ Import/Simulink, выберем режим просмотра Browser, в раскрыв­шемся окне перечня имеющихся моделей выберем еха1.mdl. В окне SISO LTI Blocks появится перечень созданных нами в мо­дели блоков, которые, как это было описано выше, перенесем в окно блоков системы. После подтверждения в окне SISO Design Tool появится диаграмма Боде системы и корневой годограф с
212 Глава 5. Связь Control System и Robust Control Toolboxes с Simulink
текстом, сообщающим о неустойчивости системы. Для выбора па­раметра T
используем корневой годограф. Совместим указатель
1
мыши (ладонь) с нулем регулятора при s =−10 и начнем двигать его вправо. Видно, что постепенно система становится устойчи­вой, и при T
= 1 имеет запас по фазе около 45° и удовлетвори-
1
тельное качество переходного процесса. Экспортируем сформиро­ванный регулятор и другие передаточные функции системы в файл на диске с именем еха1.mat. Если теперь, однако, запустить модель еха1, будет видно, что она по-прежнему остается неустой­чивой, так как новые значения параметров регулятора в нее не по­падают. Причина этого заключается в том, что передаточные функции блоков заданы жестко в окнах их параметров. Поэтому необходимо создать новую модель с помощью пунктов меню Tools/Draw Simulink Diagram как это было описано выше, присво­ив ей прежнее имя еха1, или же внести изменения в окне парамет­ров регулятора Ñ вручную.
Ðèñ. 5.12. Структура неустойчивой модели
Другой способ работы с SISO Design Tool и Simulink заклю­чается в том, чтобы уже на стадии подготовки модели Simulink предусмотреть возможность ее настройки в SISO Design Tool. С этой целью передаточные функции блоков как систем Control System Toolbox создаются в рабочей области с помощью или ко­мандного окна, или УП. Тогда в окнах параметров блоков указы­ваются только имена этих систем, и при запуске программы Simulink параметры блоков автоматически переносятся в модель. После окончания синтеза регулятора (и, возможно, других бло­ков, кроме блока объекта) полученные значения передаточных функций должны быть экспортированы в рабочую область, как это показывалось выше. Для возможности их использования во время других сеансов работы с моделью они должны быть экс­портированы на диск с определенным именем, а на схеме модели в окне File/Model Properties/Callbacks/Model initialization function нужно ввести: load имя .
Глава 5. Связь Control System и Robust Control Toolboxes с Simulink 213
5.2. Robust Control Toolbox è Simulink
Пакет расширения Robust Control Toolbox может быть исполь­зован с системой Simulink точно так же, как и Control System Toolbox, а именно: сначала создается и выполняется управляющая программа УП, представляющая собой фактически часть про­грамм, приведенных в разделе 2.2.8, от начала программы до ко­манды оптимального синтеза [sscp, sscl] = h2lqg(TSS), [sscp, sscl] = hinf(TSS) èëè [gamopt, sscp, sscl] = hinfopt(TSS) ипо­следующей команды [acp, bcp, ccp, dcp] = branch(sscp). Для за­поминания результатов на диске вводится команда save ‹èìÿ›,на­пример, имя программы Simulink, с которой эти результаты будут использованы. В последующем примере это robmod1.
Далее создается схема Simulink типа изображенной на рис. 5.13 с блоками State-Space. В окне параметров блока Регуля­тор в строки A, B, C, D записывается соответственно acp, dcp, ccp, dcp, а в окне параметров объекта вводятся соответственно обозна­чения его матриц, принятые в УП ( в программах, приведенных в разделе 2.2.8, это ag, bg, cg, dg). В окне File/Model Properties/ Callbacks/ Model initialization function нужно ввести: load robmod1. Выполним все эти действия, исполним программу, например, (П. 2.12), которую дополним указанной выше командой save robmod1, затем запустим программу Simulink robmod1 и убедим­ся, что переходный процесс, зафиксированный осциллографом, не отличается от процесса для ssg, приведенного на рис. 2.59.
Ðèñ. 5.13. К синтезу регулятора модели с помощью Robust control toolbox
Папка Demos Robust Control Toolbox содержит несколько примеров, реализованных с помощью Simulink. Эти примеры можно также использовать как шаблоны для решения задач поль­зователя.
На рис. 5.14 приведена схема модели, содержащаяся в файле Matlab7 \ toolbox \ robust \ h2demo.
Модель содержит регулятор, объект и весовые частотные функ­ции, причем в прямоугольнике функции изображена ее АЧХ. При изменении весовой функции ее изображение на графике также из-
214 Глава 5. Связь Control System и Robust Control Toolboxes с Simulink
Ðèñ. 5.14. Шаблон системы регулирования для робастного управления
меняется. Модель имеет входной и ряд выходных портов для соеди­нения модели с другими моделями, а также для использования в ка­честве подсистемы. Подсистема «регулятор» реализована на основе блока State-Space, матрицы которого A, B, C, D обозначены ae, be, ce, de. Объект имеет более сложную структуру, изображенную на рис. 5.15. Кроме модели собственно объекта, реализованного также на основе блока State-Space, матрицы которого обозначены a, b, c, d, предусмотрены источники белых шумов: мультипликативного Шум1 и аддитивного Шум2. При моделировании без шумов их ин­тенсивности надо установить равными нулю.
На схеме модели имеется также шесть прямоугольников с тек­стами как внутри прямоугольников, так и под ними. На рис. 5.14 эти прямоугольники обозначены цифрами от 1 до 6. В переводе на русский язык тексты в прямоугольниках таковы: 1 — «Перезагруз­ка данных»; 2 — «Перерасчет»; 3 — «АЧХ замкнутой системы»; 4 — «АЧХ регулятора»; 5 — «Диаграмма Найквиста замкнутой сис­темы»; 6 — «Диаграмма Найквиста регулятора». Под прямоугольни­ками находятся тексты, говорящие о том , что двукратный щелчок по прямоугольнику вызывает указанное в прямоугольнике действие.
Действия 3..6 очевидны, а на действиях 1 и 2 следует остано­виться подробнее. При щелчке на прямоугольнике 1 выполняется программа h2data.m, находящаяся в той же папке, что и h2demo. Эта программа содержит данные матриц a, b, c, d, ae, be, ce, de и частотных характеристик W
, W2, W3. При выполнении этой про-
1
граммы указанные данные переписываются в рабочую область. При щелчке на прямоугольнике 2 выполняется программа h2des1.m, находящаяся в той же папке. Эта программа выполняет
Глава 5. Связь Control System и Robust Control Toolboxes с Simulink 215
Ðèñ. 5.15. Модель объекта для шаблона
расчет матриц ae, be, ce, de по заданным a, b, c, d, W1, W2, W3. При выполнении этой программы указанные данные также пере­писываются в рабочую область. Таким образом, при изменении объекта управления нужно изменить только программу h2data.m.
При использовании этой программы Simulink как шаблона для решения задач оптимизации по критерию минимума нормы
Í
«расширенного» объекта целесообразно поступить следующим
2
образом. Сначала переписать три упомянутых файла в папку поль­зователя, присвоив какое-либо уникальное имя файлу Simulink, например, exh2.mdl. В файл h2data.m добавить команду save exh2. Так как этот файл содержит данные о матрицах регулятора, кото­рые могут изменяться, то информацию об этих матрицах из файла можно исключить. Эту же команду save exh2 следует добавить в конце программы h2des1.m. Â îêíå программы Simulink File/Model Properties/Callbacks/Model initialization function нужно ввести: load exh2. Ниже в качестве примера приведен файл h2data.m для задачи, решаемой программой (П. 2.12).
Модифицированная программа h2data.m
Cd = 90;J1 = 0.008;J2 = 0.008;Kf = 0.5; [a, b, c, d] = tf2ss([Cd],conv([1 0 0], [J1*J2 0 Cd *(J1 + J2)])); ssg = ss(a, b, c, d); num2 = [0.2]; den2 = [1]; den3 = [0.4 0 0]; num3 = [0 0 100]; beta = 200; alfa = 2/3; w1c = 5; zeta1 = 2.1; zeta2 = 0.7; den1 = Kf * beta * [alfa 2*zeta1*w1c*sqrt(alfa) w1c*w1c]; num1 = [beta 2*zeta2*w1c*sqrt(beta) w1c*w1c]; (Ï. 5.5)
При создании новой системы регулирования в файл h2data.m вводятся данные об объекте и о выбранных весовых частотных ха­рактеристиках, при двойном щелчке по первому прямоугольнику эта информация вводится в рабочую область и запоминается на
216 Глава 5. Связь Control System и Robust Control Toolboxes с Simulink
диске, при двойном щелчке по прямоугольнику 2 рассчитывается регулятор и также запоминается в рабочей области и на диске, по­сле чего можно выполнять программу exh2.mdl как в текущем, так и последующих сеансах работы с ней.
Следует остановиться еще на одном обстоятельстве. Приня­тый метод синтеза регулятора в программе h2des1.m имеет ограни­чения. В частности, он требует, чтобы частотная характеристика
W
была правильной, хотя в общем это условие не является обяза-
3
тельным (см. раздел 4.2.1). Поэтому, например, задача, решаемая программой (П. 2.12), здесь не решается. Можно рекомендовать пользоваться универсальной программой, приведенной ниже, ко­торой присваивается то же имя.
Модифицированная программа h2des1.m.
format short sys = ss(a,b,c,d); w1 = tf(den1,num1); w2 = tf(num2,den2); w3 = tf(den3,num3); sys_= augtf(sys,w1,w2,w3); [ss_cp, ss_cl] = h2lqg(sys_); [ae,be,ce,de] = ssdata(ss_cp); save exh2_1 (Ï. 5.6)
Следует обратить внимание на то, что для WW3в предыду­щей программе задаются значения числителя и знаменателя для обратных частотных характеристик.
Этим же шаблоном можно воспользоваться для синтеза регуля­тора, минимизирующего Í
норму. Для этого достаточно в програм-
ме (П. 5.6) команду h2lqg заменить на команды hinf èëè hinfopt.
Использовать ли в каждом конкретном случае Control system toolbox и Robust control toolbox самостоятельно или вместе с паке­том Simulink зависит от постановки и содержания задачи. Систе­мы, сформированные первыми двумя пакетами, дают возможность более детально исследовать различные характеристики и особен­ности системы, более просто проанализировать влияние различ­ных параметров и неопределенностей на ее работу, применить бо­лее сложные методы синтеза, облегчают сравнение систем и одно­временное манипулирование массивом систем. Использование Simulink облегчает установление связей между блоками (система­ми по терминологии Control system и Robust control toolboxes), де­лает эти связи более наглядными, упрощает исследование поведе­ния системы при сложных входных воздействиях, дает возмож­ность применить разработанные модели в качестве подсистем для сложных систем регулирования.
Приложения
1. Уравнения регулятора уменьшенного порядка к разде-
ëó 2.2.8, Двухмассовая система с упругой связью
Регулирование положения механизма, команда h2lqg
a = [-5.29 -7.33e+4 -4.41e+5 -1.16e+4 1387;
59.28 8.66e+5 5.21e+6 1.37e+5 -1.62e+4;
-9.57 -1.40e+5 -8.44e+5 -2.21e+4 2620;
-10.13 -1.5e+5 -9.0e+5 -2.36e+4 2795;
-1.19 -3.2e+4 -1.93e+5 -4853 599.4],
b = [-0.987; -0.078; 0.013; 0.018; 0.0041], c = [ -32.3 8.9e+5 5.38e+6 1.19e+5 -1.67e+4], d = 0.
2. Уравнения регулятора уменьшенного порядка к разде-
ëó 2.2.8, Двухмассовая система с упругой связью
Регулирование положения механизма, команда hinfopt
a = [-16.86 2085 8273 -5655 -117.1;
-14.35 963.9 3806 -2521 -55.17;
- 15.48 -522.9 -2147 1738 27.27;
1.203 88.37 436 -500 -5.296;
-1.027 -641.9 -2822 2740 7.13],
b = [ 32.8; -55.25; 37.84; -10.01; 34.09], c = [-0.000358 28.74 123.7 -112.7 -0.7162], d = 0.
3. Уравнения регулятора порядка к разделу 2.2.8, Двухмассовая
система с упругой связью
Регулирование скорости механизма, команда hinfopt
a = [-1.406e+4 -0.203 3.5 143 -1.95e+4;
0.036 -0.902 -0.124 -0.000367 0.05;
0.0403 3.3 0.0617 -0.000474 0.0643;
-0.00162 -0.172 -0.474 -19.2 2612;
-0.03522 -3.675 -10.12 -100. -1.447e+4],
b = [-2.44e-5; -125.8; -54; 4.1; 87], c = [ 411 0.00808 -0.0807 -3.83 568.6], d = 0.
218 Приложения
4. Уравнения регулятора порядка к разделу 2.2.8, Динамика са-
молета по продольной оси
a = x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8
x1 -313.3 -1281 47.3 -93.98 784.6 -276.2 2681 1.343e+5 x2 -402.4 -1690 69.25 -59.51 946.5 -258.8 1953 1.62e+5 x3 0.996 3.526 -7.625 2.107 15.82 -0.0662 -40.86 2699 x4 0.09086 -1.783 -0.855 -4.623 -0.3972 -5.696 98.99 -62.62 x5 0.4703 1.96 0.521 0.0302 -2.649 0.5319 -2.194 -451 x6 0.2229 -0.446 -1.061 -1.557 0.5893 -2.021 32.61 102.4 x7 -0.1664 0.3007 0.4158 1.306 -0.7451 1.097 -24.45 -121.9 x8 -0.1448 0.1051 -3.645 0.9 -7.729 -2.825 -0.543 -1068
b = u1 u2
x1 6.799e-5 -7.64e-5 x2 -0.00019 0.000155 x3 -0.09545 -0.04223 x4 -0.7113 0.3893 x5 -13.2 -23.42 x6 35.68 -19.91 x7 -20.05 15.93 x8 23.79 51.91
c = x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8
y1 2.368 7.139 -0.3976 -0.8718 -2.76 -0.682 19.04 -471 y2 -16.72 -73.76 2.782 -4.694 44.34 -14.76 136.9 7591
d =0.
5. Уравнения регулятора к разделу 2.2.7, Динамика самолета в
вертикальной плоскости.
a =x1 x2x3x4 x5x6 x7
x1 -3.282e+4 -344.1 -5114 711.7 -132.1 1.58e+5 2590 x2 587.4 -46.23 55.1 -0.7058 -10.63 -2686 -55.07 x3 -206.9 35.57 -8.639 -4.586 9.781 947.8 26.35 x4 243.2 -32.51 16.82 -50.99 26.42 -1114 33.9 x5 -106.2 14.2 -7.341 -40.48 22.98 485.7 56.05 x6 -11.43 1.528 -0.79 0.1459 0.2388 52.31 1.044 x7 267 -35.69 18.45 -3.409 -5.577 -1222 - 24.4
b = u1 u2 u3
x1 0.1076 1.114 0.08715 x2 9.043 0.03952 7.245 x3 6.494 0.3059 8.593 x4 6.562 -0.03455 -6.475 x5 -3.751 0.0025 4.999 x6 0.3871 -9.027 0.203 x7 -9.045 -0.1543 9.321
Приложения 219
c = x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7
y1 124.3 -54.55 -16.38 -35.77 13.45 -573.9 30.28 y2 3.866e+4 396.6 6019 -842.2 156.7 -1.765e+5 -3046 y3 329.2 -187.2 -70.72 -65.88 14.02 -1524 48.43
d = u1 u2 u3
y1 0 -6.25e-015 0 y2 0 -1.014e-014 0 y3 0 -1.841e-014 0
6. Уравнения регулятора к разделу 2.2.7, Космическая конст-
рукция большой размерности.
a =x1x2x3 x4x5
x1 -21.39 52.69 -1.416 0.4336 0.3323 x2 -8.122 20 -0.554 -0.02432 0.1314 x3 0.6114 -1.002 -0.6792 -5.701 -0.8233 x4 -0.2809 0.7073 -0.0164 -1.15 - 0.2879 x5 -1.234 3.459 -0.0359 -0.3582 0.7836
b =u1 u2
x1 6.165e+4 3.391e+4 x2 2.415e+4 1.459e+4 x3 -1.719e+4 2.914e+4 x4 -861.7 863.9 x5 1.137e+4 6999
c = x1 x2 x3 x4 x5
y1 -7.539 17.51 0.1713 2.475 0.4614 y2 -3.623 8.732 -1.197 -3.382 -0.4251
d = u1 u2
y1 2.797e+4 -1916 y2 -157.1 2.553e+4
Sampling time: 0.00033333 Discrete-time model.
Список литературы
1. Control System Toolbox. User's Guide, The MathWorks,
Release 14, 2004
2. Robust Control Toolbox, User's Guide, The MathWorks, 2001
3. Потемкин В. Г. Система MATLAB, справочное пособие. М.,
Диалог-МИФИ, 1997
4. Потемкин В. Г. MATLAB 5 для студентов. М., Диалог-
ÌÈÔÈ, 1998
5. Дьяконов В., Круглов В., Математические пакеты расшире-
ния MATLAB, специальный справочник. С-Пб., 2001
6. Атанс М., Ôàëá Ï., Оптимальное управление. М., Машино-
строение, 1968
7. Воронов А. А., Устойчивость, управляемость, наблюдаемость.
М., Наука, 1979
8. Кузовков Н. Т. Модальное управление и наблюдающие уст-
ройства. М., Машиностроение, 1976
9. Борцов Ю. А., Соколовский Г. Г. Автоматизированный элек-
тропривод с упругими связями. С-Пб., Энергоатомиздат, 1992
10. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматиче-
ского регулирования. М., Наука, 1972
11. Методы классической и современной теории автоматиче­ского управления. Учебник в 5-ти томах; изд. 2, том 3; Синтез ре­гуляторов систем автоматического управления/ Под ред. Ïóï- êîâ Ê. À., Егупов Н. Д. М., МГТУ им. Баумана, 2004
12. Franklin G. F., Powell J. D., Emami-Naeini À., Feedback Control of Dynamic Systems, 3-d Edition, Addison-Wesly Publishing Company, 1994
13. Doyle J., Glover K., Khargonekar P., Francis B., «State-space solutions to standard H Automat. Contr., AC-34, no. 8, pp. 831-847, Aug. 1989
14. Zhou K., Doyle J., Glover K., Robust and Optimal Control. NJ, Prentice-Hall, 1995
and H?control problems,» IEEE Trans.
2
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]