Control System Toolbox控制系统工具箱.docx
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Control System Toolbox控制系统工具箱.docx
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ControlSystemToolbox控制系统工具箱
ControlSystemToolbox
设计和分析控制系统
产品概览1:
56
ControlSystemToolbox™为系统地分析、设计和调节线性控制系统提供行业标准算法和工具。
您可以将您的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。
通过交互式工具和命令行函数(如阶跃响应图和波特图),您可以实现时域和频域中系统行为的可视化效果。
可以使用自动PID控制器调节、波特回路整形、根轨迹方法、LQR/LQG设计及其他交互式和自动化方法来调节补偿器参数。
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。
ControlSystemToolbox
Designandanalyzecontrolsystems
ProductOverview1:
56
ControlSystemToolbox™providesindustry-standardalgorithmsandtoolsforsystematicallyanalyzing,designing,andtuninglinearcontrolsystems.Youcanspecifyyoursystemasatransferfunction,state-space,pole-zero-gain,orfrequency-responsemodel.Interactivetoolsandcommand-linefunctions,suchasstepresponseplotandBodeplot,letyouvisualizesystembehaviorintimedomainandfrequencydomain.YoucantunecompensatorparametersusingautomaticPIDcontrollertuning,Bodeloopshaping,rootlocusmethod,LQR/LQGdesign,andotherinteractiveandautomatedtechniques.Youcanvalidateyourdesignbyverifyingrisetime,overshoot,settlingtime,gainandphasemargins,andotherrequirements.
简介
ControlSystemToolbox™为系统地分析、设计和调节线性控制系统提供行业标准算法和工具。
您可以将您的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。
通过交互式工具和命令行函数(如阶跃响应图和波特图),您可以实现时域和频域中系统行为的可视化效果。
可以使用自动PID控制器调节、波特回路整形、根轨迹方法、LQR/LQG设计及其他交互式和自动化方法来调节补偿器参数。
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。
主要功能
●线性系统的传递函数、状态空间、零极点增益和频率响应模型
●线性模型的串联、并联、反馈连接和一般框图连接
●用于分析稳定性和性能指标的阶跃响应、奈奎斯特图以及其他时域和频域工具
●根轨迹图、波特图、LQR、LQG及其他经典工具和状态空间控制系统设计方法
●自动PID控制器调节
●模型表示方式转换、连续时间模型离散化和高阶系统的低阶近似
●针对精确度和性能而优化的LAPACK和SLICOT算法
ControlandEstimationToolsManager(顶部)是一个基于工作流的GUI,用来交互地分析、设计和调节控制器。
可用的工具包括根轨迹图、波特图和阶跃响应图(底部)。
KeyFeatures
●Transfer-function,state-space,pole-zero-gain,andfrequency-responsemodelsoflinearsystems
●Series,parallel,feedback,andgeneralblock-diagramconnectionoflinearmodels
●Stepresponse,Nyquistplot,andothertime-andfrequency-domaintoolsforanalyzingstabilityandperformancemeasures
●Rootlocus,Bodediagrams,LQR,LQG,andotherclassicalandstate-spacecontrolsystemdesigntechniques
●AutomatictuningofPIDcontrollers
●Modelrepresentationconversion,continuous-timemodeldiscretization,andlow-orderapproximationofhigh-ordersystems
●LAPACKandSLICOTalgorithmsoptimizedforaccuracyandperformance
ControlandEstimationToolsManager(top,aworkflow-basedGUIthatletsyouinteractivelyanalyze,design,andtunecontrollers.Availabletoolsincluderootlocus,Bode,andstep-responseplots(bottom.
使用ControlSystemToolbox
线性控制技术是控制系统设计和分析的基础。
ControlSystemToolbox可帮助您创建和操作控制系统的线性模型。
使用交互式可视化工具,您可以分析这些模型,深入了解控制系统的行为、性能和限制。
您还可以使用单入/单出(SISO和多入/多出(MIMO设计方法,系统地调节控制系统参数。
ControlSystemToolbox生成的线性模型可用于其他控制设计产品,如RobustControlToolbox™和ModelPredictiveControlToolbox™。
您可以使用SimulinkControlDesign™搭配ControlSystemToolbox,在Simulink®中进行控制系统设计和分析。
通过PIDTunerGUI,调节由方程式定义的PID控制器C。
您可以自动计算初始设计,然后以交互方式调节响应时间,重新计算PID增益。
W☐❒k♓⏹♑♦♓♦♒C☐⏹♦❒☐●S⍓♦♦♏❍❆☐☐●♌☐⌧
Linearcontroltechniquesarethefoundationofcontrolsystemdesignandanalysis.ControlSystemToolboxletsyoucreateandmanipulatethelinearmodelsofyourcontrolsystem.Usinginteractivevisualizationtools,youcananalyzethesemodelstogaininsightintoyourcontrolsystem’sbehavior,performance,andlimitations.Youcanalsosystematicallytunecontrolsystemparametersusingsingle-input/single-output(SISOandmulti-input/multi-output(MIMOdesigntechniques.
LinearmodelsfromControlSystemToolboxcanbeusedinothercontroldesignproducts,suchasRobustControlToolbox™andModelPredictiveControlToolbox™.YoucanuseSimulinkControlDesign™togetherwithControlSystemToolboxforcontrolsystemdesignandanalysisinSimulink®.
TuningaPIDcontrollerC,definedbytheequation,withthePIDTunerGUI.YoucanautomaticallycalculateaninitialdesignandtheninteractivelyadjusttheresponsetimetorecomputePIDgains.
创建和操作线性模型
ControlSystemToolbox可帮助您创建和操作作为对象的系统线性模型。
支持所有的标准模型表示形式,包括传递函数、零极点增益、显式和描述器状态空间以及频率响应数据。
线性模型可以是SISO或MIMO、连续或离散的。
您可以将PID控制器表示为PID对象。
而且,您还可以对带有时间延迟的系统进行精确建模和仿真,包括系统的反馈回路有延迟的情况。
ControlSystemToolbox提供的命令用于:
●对线性模型进行算术运算
●通过简单模型的串联、并联或反馈连接,构建复杂的框图,
●对连续时间模型进行离散化处理,
●对高阶模型进行低阶的近似计算,
构建受控对象的线性模型通常是设计控制系统的第一步。
如果尚无可用的线性模型,可利用SystemIdentificationToolbox™通过拟合测试数据构建一个线性模型,或使用SimulinkControlDesign线性化一个Simulink模型。
一旦创建了线性模型,便可使用ControlSystemToolbox分析该模型并设计控制器。
用于创建和分析带有控制器C和受控对象模型G的反馈回路的MATLAB代码。
受控对象模型被描述为第一阶传递函数,延迟时间为T秒。
CreatingandManipulatingLinearModels
ControlSystemToolboxletsyoucreateandmanipulatelinearmodelsofyourcontrolsystemasobjects.Allstandardmodelrepresentationsaresupported,includingtransferfunction,zero-pole-gain,explicitanddescriptorstatespace,andfrequency-responsedata.LinearmodelscanbeSISOorMIMO,andcontinuousordiscrete.YoucanrepresentPIDcontrollersasPIDobjects.Inaddition,youcanaccuratelymodelandsimulatesystemswithtimedelays,includingfeedbackloopswithdelays.
ControlSystemToolboxprovidescommandsfor:
●Performingarithmeticonlinearmodels
●Buildingcomplexblockdiagramsbyconnectingsimplemodelsinseries,parallel,orfeedback
●Discretizingcontinuous-timemodels
●Computinglow-orderapproximationsofhigh-ordermodels
Buildingalinearmodelofyourplantisusuallythefirststepindesigningacontrolsystem.Ifnolinearmodelisavailable,youcanbuildonebyfittingtestdatausingS⍓♦♦♏❍✋♎♏⏹♦♓♐♓♍♋♦♓☐⏹❆☐☐●♌☐⌧™,orbylinearizingaSimulinkmodelusingSimulinkControlDesign.Onceyouhavecreatedalinearmodel,youcanuseControlSystemToolboxtoanalyzeitanddesignacontroller.
MATLABcodeforcreatingandanalyzingafeedbackloopwithcontrollerCandplantmodelG.Theplantismodeledasafirst-ordertransferfunctionwithadelayofTseconds.
分析模型
ControlSystemToolbox提供各种GUI和命令行函数,用于分析线性模型。
使用LTIViewerGUI,可以同时查看和比较多个线性模型的时间和频率响应。
还可以检查主要性能参数,比如上升时间,稳定时间、最大超调量和稳定裕度。
可用的曲线图包括阶跃响应、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。
您可以模拟响应用户定义的输入和初始条件,进一步调查系统性能。
LTIViewerGUI,用于在时域和频域中分析线性模型的交互式工具。
您可以使用多种时域和频域图,同时比较多个线性模型。
AnalyzingModels
ControlSystemToolboxprovidesextensiveGUIsandcommand-linefunctionsforanalyzinglinearmodels.UsingtheLTIViewerGUI,youcanviewandcomparethetimeandfrequencyresponsesofseverallinearmodelsatonce.Youcanalsoinspectkeyperformanceparameters,suchasrisetime,settlingtime,maximumovershoot,andstabilitymargins.Availableplotsincludestepresponse,impulseresponse,Bode,Nichols,Nyquist,singularvalue,andpole-zero.Youcansimulatetheresponsetouser-definedinputsandinitialconditionstofurtherinvestigatesystemperformance.
LTIViewerGUI,aninteractivetoolforanalyzinglinearmodelsinthetimeandfrequencydomains.Youcancompareseverallinearmodelsatonceusingavarietyoftime-domainandfrequency-domainplots.
调节控制系统
ControlSystemToolbox可通过SISO和MIMO设计方法,帮助您系统地调节控制系统参数。
调节PID控制器
ControlSystemToolbox提供一些通过PIDTunerGUI或命令行函数操作和调节PID控制器的工具。
您可以:
●使用PID对象以标准或并联形式表示连续时间或离散时间PID控制器
●自动调节PID增益,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SISO控制器
借助ControlSystemToolbox中的SISO设计工具,您可以设计和分析SISO控制系统。
您可以:
●设计通用控制组件,如PID、超前/滞后网络和带阻滤波器
●使用根轨迹图、波特图和尼柯尔斯图等经典工具,以图形化方式调节SISO回路。
●在调节控制器的同时,监视闭环响应和性能要求
●评估设计因素,如采样时间和控制器复杂度的选择。
除了传递函数和频率响应数据等标准模型表示方式以外,SISO设计工具还支持带有时间延迟的系统。
您还可以同时使用多个受控对象模型,针对不同的操作条件评估控制设计。
SimulinkControlDesign使您能够在包含多个SISO回路的Simulink中调节控制器,从而扩展ControlSystemToolbox的功能。
您可以依次断开SISO回路,实现回路交互作用的可视化,反复地调节每个回路,以获得最佳总体性能。
SimulinkControlDesign使您能够将调节后的参数直接导出到Simulink,以便通过非线性仿真进一步地验证设计。
配合S♓❍◆●♓⏹kD♏♦♓♑⏹O☐♦♓❍♓z♋♦♓☐⏹™一起使用时,SISO设计工具可帮助您优化控制系统参数,加强基于时间和频率的性能要求。
配合RobustControlToolbox一起使用时,可让您利用“H无穷”算法自动整形开环响应。
使用SISO设计工具调节多个受控对象模型的单个控制器。
调节MIMO控制器
ControlSystemToolbox支持成熟的MIMO设计方法,包括LQR/LQG和极点配置算法。
它还提供观测器的设计工具,包括卡尔曼滤波器的设计。
TuningControlSystems
ControlSystemToolboxletsyousystematicallytunecontrolsystemparametersusingSISOandMIMOdesigntechniques.
TuningPIDControllers
ControlSystemToolboxprovidestoolsformanipulatingandtuningPIDcontrollersthroughthePIDTunerGUIorcommand-linefunctions.Youcan:
●UsePIDobjectstorepresentcontinuous-timeordiscrete-timePIDcontrollersinstandardorparallelform
●AutomaticallytunePIDgainstobalanceperformanceandrobustness
●Specifytuningparameters,suchasdesiredresponsetimeandphasemargin
PIDControlDesignwithControlSystemToolbox9:
35
DesignPIDcontrollersusingControlSystemToolbox.
TuningSISOControllers
TheSISODesignToolinControlSystemToolboxletsyouthedesignandanalyzeSISOcontrolsystems.Youcan:
●Designcommoncontrolcomponents,suchasPIDs,lead/lagnetworks,andnotchfilters
●GraphicallytuneSISOloopsusingclassicaltools,suchasrootlocus,Bodediagrams,andNicholscharts
●Monitorclosed-loopresponsesandperformancerequirementsinrealtimewhiletuningyourcontroller
●Evaluatedesignfactors,suchaschoiceofsampletimeandcontrollercomplexity
ControlSystemDesignwithSISODesignTool8:
59
DesigncontrolsystemswithSISODesigntool.
Inadditiontostandardmodelrepresentations,suchastransferfunctionandfrequency-responsedata,theSISODesignToolsupportssystemswithtimedelays.Youcanalsoworkwithseveralplantmodelssimultaneouslytoevaluateyourcontroldesignfordifferentoperatingconditions.
SimulinkControlDesignextendsControlSystemToolboxbyenablingyoutotunecontrollersinSimulinkthatconsistofseveralSISOloops.YoucancloseSISOloopssequentially,visualizeloopinteractions,anditerativelytuneeachloopforbestoverallperformance.SimulinkControlDesignletsyouexportthetunedparametersdirectlytoSimulinkf
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