Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пакеты расширения MATLAB. Control System Toolbox и Robust Control Toolbox
.pdf
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 W1è W3в 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]
