Синтез, анализ и внедрение систем управления
При помощи средств синтеза систем управления MathWorks можно пройти любой этап разработки: от моделирования установки до внедрения при помощи автоматической генерации кода. Гибкость средств, возможность решать самые разнообразные задачи управления обеспечили им признание инженеров во всем мире. Для решения уникальной задачи управления пользователь может создать свое собственное средство или алгоритм при помощи MATLAB®.
Закажите бесплатный интерактивный комплект материалов по системам управления (материалы на английском языке)
Aerospace Blockset
SimElectronics
Simulink 3D Animation
Simulink Design Optimization
System Identification Toolbox
Control System Toolbox
Model Predictive Control Toolbox
Simulink Control Design
Simulink Design Optimization
Embedded Coder
Создание точных моделей объекта
Синтез системы управления начинается с точной модели объекта. В инструментах компании MathWorks реализованы различные подходы для описания динамики объекта управления. Так как эти средства работают в среде моделирования Simulink, разработчик может выбрать лучший подход для каждого компонента объекта, создавая таким образом модель системного уровня.
Создание моделей на основе экспериментальных данных
Если о физике системы ничего не известно, можно применить алгоритмы идентификации объекта - известный подход создания моделей. На объект подается входной сигнал, фиксируется выходной сигнал, и на основании этих двух наборов данных строится модель. Такой подход позволяет быстро создавать точные модели, не имея детального представления о структуре объекта.
Разработка моделей, описывающих различные инженерные сферы деятельности, с использованием физического моделирования
Инструменты для физического моделирования компании MathWorks позволяют создавать модели при помощи блоков, описывающих механические, электрические, магнитные, гидравлические, пневматические и термальные компоненты. Соединения, при помощи которых блоки объединяют в систему, описывают топографию компонентов и физические соединения. Такой подход позволяет создать сложную систему, описывающую различные инженерные сферы деятельности, не решая уравнения для описания основных принципом работы компонентов. Точно известные уравнения, описывающие объект, могут быть реализованы при помощи блоков Simulink или на языке Simscape™. Модели, основанные на представлении основных принципов работы объекта специальными инструментами или уравнениями, могут быть разработаны без использования прототипов или реальных объектов.
Уточнение параметров модели
Модели, основанные на основных принципах работы объекта, содержат количественное описание различных физических величин: массы, сопротивления, сечение потока. У разработчика не всегда есть информация об этих параметрах. Инструмент Simulink Design Optimization позволяет увеличить точность модели посредством настройки таких параметров. Для этого используются экспериментальные данные: вектор значений, подаваемый на вход объекта, и вектор измеренных выходных значений.
Учет влияния окружающей среды в модели объекта
Учесть влияние окружающей среды - атмосферы, гравитации, турбулентности и магнитного поля земли - позволяет набор блоков Aerospace Blockset™ для Simulink. Разработчик может создавать собственные модели окружающей среды (например, справочные таблицы) из блоков Simulink.
Синтез регуляторов для системы управления с обратной связью, логических схем управления
После создания точной модели объекта начинается анализ и синтез регуляторов для системы управления с обратной связью и разработка стратегий экспертного управления. Всё это можно реализовать с помощью инструментов компании MathWorks.
Анализ систем управления
Критический анализ системы управления в среде MATLAB или Simulink можно выполнить, решая следующие задачи:
- оценка основных параметров качества работы системы, например перерегулирования, времени нарастания и устойчивости;
- поиск параметров равновесных состояний, линеаризация, получение частотных характеристик нелинейных моделей Simulink;
- моделирование и анализ влияния неопределенностей на качество и устойчивость модели.
Систематическое применение методов синтеза алгоритма управления
Инструмент Simulink Control Design™ позволяет отказаться от использования метода проб и ошибок при разработке алгоритма управления. Вместо этого разработчик получает возможность использовать систематический метод настройки одно- или многоконтурной системы управления непосредственно из среды Simulink. Инструмент предоставляет следующие возможности:
- автоматическая настройка ПИД-регуляторов;
- применение методов линейного управления с использованием интерактивных графиков: корневого годографа, диаграммы Боде (ЛАФЧХ), диаграммы Николса;
- применение современных методов управления, например робастного управления для многомерных систем управления с прогнозирующей моделью, нечеткой логики.
Все эти подходы можно применить в MATLAB и Simulink.
Оптимизация характеристик системы
Улучшить характеристики системы и снизить затраты на ее реализацию можно с помощью автоматической настройки параметров. В Simulink такой подход реализует инструмент Simulink Design Optimization™. Разработчик может оптимизировать коэффициенты усиления так, чтобы система удовлетворяла требованиям к времени нарастания и перерегулирования, или совместно оптимизировать физические и алгоритмические параметры, добиваясь наилучших характеристик системы.
Разработка и моделирование экспертной логики
Stateflow позволяет моделировать, разрабатывать и исполнять экспертную логику в системах управления. Экспертная логика обеспечивает планирование работы регуляторов, управляет рабочими режимами системы, помогает реализовать обнаружение отказа, изоляцию и восстановление (FDIR).
Развертывание разработок на встроенных контроллерах при помощи автоматической генерации кода
После синтеза и проверки системы управления проводятся последние приготовления к реализации. К примеру, можно указать параметры типов данных с фиксированной точкой в случае, если проект должен быть реализован с использованием соответствующей арифметики.
Автоматическая генерация кода для развертывания проекта
Проект можно развернуть на встроенном контроллере при помощи автоматической генерации кода. При таком подходе генерируется высокоэффективный код для контроллера. Так как процесс происходит автоматически, удается избежать ошибок, возникающих при ручном переписывании алгоритмов. Возможна генерация следующих типов кода:
- код C и C++, соответствующий требованиям ANSI/ISO, для реализации на микропроцессорах и микроконтроллерах;
- структурированный текст IEC 61131 для реализации на программируемых логических контроллерах (ПЛК, PLC) и программируемых контроллерах автоматизации (ПКА, PAC);
- код Verilog и VHDL для реализации на ПЛИС.
Проверка разработанной системы управления при помощи моделирования и формальных методов верификации
Компания MathWorks предлагает средства для всеобъемлющей проверки разработанной системы управления с использованием моделирования на персональном компьютере, тестирования в реальном времени и методов формальной верификации.
Тестирование систем управления с использованием моделирования на персональном компьютере
Тестирование алгоритмов управления при помощи моделирования на персональном компьютере позволяет обнаружить ошибки в проекте до создания аппаратных средств и промышленного программного обеспечения. Такая ранняя верификация снижает потребность в дорогих и труднодоступных прототипах. Для выполнения этой проверки необходимо объединить модели объекта и алгоритма управления в замкнутую систему и выполнить получившуюся модель. Для разработки высокоточной модели объекта следует использовать ту же модель, которая применялась для синтеза алгоритма управления. Кроме того, для создания высокоточной модели объекта можно использовать сторонние продукты от партнеров MathWorks, предназначенные для применения в специальных сферах деятельности или промышленности.
Тестирование алгоритмов управления в реальном времени
Если возможно моделирование в реальном времени, или доступен физический прототип системы, стоит выполнить тестирование алгоритма управления в реальном времени. Для этого необходимо следующее:
- реализация алгоритма на целевой вычислительной машине и подключение целевой машины к прототипу (такой подход иногда называют быстрым прототипированием);
- моделирование в реальном времени с использованием программно-аппаратного моделирования (hardware-in-the-loop, HIL).
Модель, при помощи которой был синтезирован алгоритм управления, может быть использована и на этом этапе.
Тестирование с использованием формальных методов
Среди продуктов MathWorks есть средства для верификации, валидации и тестирования алгоритмов, позволяющих выполнять следующие операции:
- исполнение тестовых заданий на контроллере и проверка охвата модели, в том числе охвата условий и альтернатив (MCDC);
- использование формальных методов верификации для автоматического создания тестовых заданий, обеспечивающих полное покрытие логики управления и подтверждающих специфические свойства модели;
- проверка кода реального времени на наличие ошибок при выполнении и обнаружение причин возникновения этих ошибок в исходной модели.
Связанные вебинары:
MATLAB для программистов на C/C++
Введение в MATLAB® 7 (на русском языке)
Введение в Simulink для проектирования систем управления
Обработка и анализ данных с помощью пакетов Statistics Toolbox и Curve Fitting Toolbox
Физическое моделирование в среде Simulink
