Simulink Control Design

 

Simulink Control Design

モデルの線形化と制御システムの設計

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PID 制御

Simulink モデルでの PID コントローラーの自動調整

モデルベースの PID 調整

PID 調整器アプリでは、1 回のクリックで Simulink モデルを自動的に線形化し、PID Controller ブロックのゲインを計算できます。設計要件に合わせて帯域幅 (応答速度) や位相余裕 (ロバスト性) を調整することで、コントローラーの性能を対話的に調整することができます。

シミュレーション データからのプラントダイナミクスの推定

Simulink モデルが、パルス幅変調 (PWM) などの不連続性が原因で線形化されない場合は、PID 調整器アプリを使用して、システム同定によりシミュレーションの入出力データから線形プラントモデルを作成します (System Identification Toolbox™ が必要)。また、プラントモデルの周波数応答の推定値に基づき、PID コントローラーのゲインを自動調整することもできます。

リアルタイムの PID 自動調整

Closed-Loop PID Autotuner ブロックを使用して、ハードウェア実験から推定されたプラントの周波数応答に基づき、PID ゲインをリアルタイムに自動調整します。組み込みソフトウェアに調整アルゴリズムを実装するための C コードを生成します。プラントのハードウェア上でリアルタイムの実験を行い、Simulink を使用せずに PID コントローラーのゲインを自動計算できます (Simulink Coder™ が必要)。

補償器の設計

グラフィカルツールや自動調整ツールを使用して、Simulink で SISO 制御ループを直接調整

対話型の設計

Gain、Transfer Function、State-Space、PID Controller、その他の調整可能なブロックを使用して、Simulink モデルで任意の制御構造をモデル化します。根軌跡プロット、ボード線図、ニコルス線図を使用して、離散ループまたは連続ループをグラフィカルに調整します。調整されたゲインで Simulink モデルを更新し、シミュレーションを用いて設計を検証します。

マルチループ設計

複数の SISO ループによってコントローラーを対話的に調整し、Simulink モデルを変更せずにループの開始点を指定します。ループの交互作用やカップリング効果を可視化しながら、パラメーターを調整して全体的な性能を最適化できます。

マルチループ コントローラーのボード設計

自動調整

設計要件を満たすように、Simulink でモデル化された分散型コントローラーを自動調整します。

SISO ループおよび MIMO ループ

制御システム調整器アプリやコマンドライン関数を使用して、任意の SISO および MIMO の制御構造を自動調整します。ゲイン、PID コントローラー、低次フィルターなどのシンプルで調整可能な要素によって、分散型制御アーキテクチャを調整できます。Simulink では、マルチループ制御システムの複数のループを一括調整することもできます。

時間領域および周波数領域の目標

設定値追従の目標、感度の目標、外乱の抑制、閉ループの極配置、安定余裕などの調整要件を指定し、可視化します。これらの必須要件 (設計の制約) を満たし、残りの要件 (目的) に最も適合するように、コントローラーのパラメーターを自動調整します。

プラントモデル セットに対する調整

さまざまな操作点、パラメーター変動、および故障の条件について Simulink モデルを線形化し、線形プラントモデルのセットを作成します。その後、作成したすべてのプラントモデルの性能目標が満たされるように制御システムを調整します。

パラメーター変動を伴う線形プラントモデルの作成

線形化

非線形 Simulink モデルの線形近似の計算

線形解析

連続、離散、およびマルチレートの Simulink モデルを線形化します。線形解析ツールやコマンドライン関数を使用して、ループの開始点や線形化の入出力を指定します。モデル全体、モデルの一部、または単一のブロックやサブシステムを線形化できます。ステップ応答プロットまたはボード線図で結果を可視化し、開ループおよび閉ループの応答を計算します。

操作点やパラメーター変動での線形化

モデルの複数の線形化の抽出および解析、パラメーター値、操作点、I/O セットの変動、線形パラメーター変動 (LPV) モデルの実装を行います。

線形化アドバイザー

線形化アドバイザーを使用して、一般的な線形化の問題を特定し、修正できます。線形化パス上のブロックを検索し、特定の線形化動作を持つブロック (ゼロに線形化したブロックなど) を分離することができます。

線形化アドバイザーによる線形化問題の診断

周波数応答の推定:

Simulink モデルや物理プラントの周波数領域特性の推定および調査

オフラインでの周波数応答の推定

線形解析ツールやコマンドライン関数を使用して、モデルを変更せずに Simulink でモデル化したシステムの周波数応答を推定できます。以下を行うことができます。

  • 励起信号 (サインスイープ信号やチャープ信号) などの構築。
  • シミュレーションの実行、データの収集、モデルの周波数応答の計算およびプロット。
  • 周波数領域の特性の調査、および Simulink モデルの線形化の検証。

オンラインでの周波数応答の推定

動作中のシステムの周波数応答を測定します。組み込みの推定アルゴリズムをスタンドアロンのアプリケーションとして展開し、物理プラントをリアルタイムで推定できます。

Frequency Response Estimator ブロック

パラメトリックモデル

System Identification Toolbox と、計算済みの Simulink モデルの周波数応答を使用して、線形パラメトリックモデルを計算します。

Simulink モデルの周波数応答からのパラメトリックモデルの作成

学習ベースの制御

データ駆動型の学習ベースの制御手法の実装

極値探索制御

Extremum Seeking Control ブロックを使用したモデルフリーのリアルタイム最適化によって、目的関数を最大化するための制御システムのパラメーターを自動的に適用します。極値探索制御は、車間距離制御装置、ソーラーアレイの最大電力点追従 (MPPT)、アンチロック ブレーキ システム (ABS)、その他の用途に使用されています。

アンチロック ブレーキ システム (ABS) の極値探索制御

制約条件の適用

Constraint Enforcement ブロックを使用して、制約と動作の範囲を満たすように制御動作を補正します。自動運転、ロボット、その他の用途向けに、モデル予測制御、強化学習、PID 制御などで実装された制御システムに制約条件を適用します。

ゲイン スケジューリング

非線形または時変プラントのゲインスケジューリング コントローラーの自動調整

ゲイン曲面の調整

Simulink ブロック (Varying PID Controller、Varying Transfer Function、Varying Notch Filter、Varying Lowpass Filter など) を使用して、ゲインスケジューリング制御システムをモデル化します。システムの動作範囲全体の性能要件を満たし、操作点間でスムーズに遷移できるように、ゲイン曲面の係数を自動調整します。操作条件に応じて変化する要件を指定し、設計の全動作範囲で調整結果を検証できます。

調整のためのゲイン曲面の推定

操作点

仕様やシミュレーション時間からモデルの操作点を検索し、操作点でモデルを初期化

定常解析

ユーザー定義の仕様からの操作点を計算します。平衡化のための制約や目的関数を独自に定義できます。また、シミュレーション中に、特定の時間やイベントで操作点のスナップショットを取得することもできます。

調整のためのゲイン曲面の推定

Steady-State Manager

Steady State Manager アプリを使用すると、状態、入力、出力の仕様から操作点を対話的に計算できます。仕様に対する操作点を検証し、シミュレーションのスナップショットから操作点を対話的に取得します。

モデルの初期化

計算された操作点でモデルを初期化し、定常状態またはシミュレーションのスナップショットからシミュレーションを開始します。テストする必要のあるシナリオの最初からシミュレーションを開始できます。

操作点でのモデルの初期化