СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №5/2015

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 70 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2015 +– +– +– +– +– +– 40 s+40 40 s+40 40 s+40 zeros (3,5)* uvec theta-ref theta SOF roll-off 1 roll-off 2 roll-off 3 Selector Вертолет phi-ref phi r-ref r P13 P12 P11 ds dc u y dT Уставки Фильтры нижних частот Регулятор Внутренний контур Внешний контур (регулируемые переменные) Pl(s) Pl(s) Pl(s) Настройка системы управления в Simulink В статье рассмотрен автоматизированный метод настройки параметров сложной системы управления с помощью графической среды имитационного моделирования Simulink, которая позволяет решать весь комплекс задач от разработки концепции модели до тестирования, проверки и генерации кода. Паскаль Гахинет, Аркадий Туревский, MathWorks Настройка системы управления может оказаться довольно сложной задачей, если полагаться только на соб- ственный опыт и заниматься отлад- кой каждого элемента системы вруч- ную. В частности, это касается систем управления со множественными цепя- ми обратной связи или настраивае- мыми компонентами, как, например, в случае каскадных ПИД-регуляторов, систем управления с прямыми и обрат- ными связями или контуров управле- ния MIMO-систем с выраженными перекрёстными связями. Обычно раз- работчики занимаются настройкой одновременно только одного элемента или контура управления. Помимо того что данный подход требует выполнения множества итераций и отнимает много времени, он не гарантирует достижение оптимального результата. Кроме того, специалист, использующий при разра- ботке системы эту методологию, должен обладать солидным опытом работы. Используя в качестве примера систе- му управления полётом вертолёта, рас- смотрим системный и автоматизи- рованный подход к настройке одно- временно всех параметров системы с учётом стандартных требований к производительности и надёжности. С ИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЁТОМ ВЕРТОЛЁТА : АРХИТЕКТУРА И ТРЕБОВАНИЯ На рисунке 1 показана блок-схема системы управления полётом верто- лёта, смоделированная в графической среде Simulink. Динамические харак- теристики вертолёта моделируются в блоке Helicopter. Система управле- ния полётом формирует команды ds, dc, и dТ в градусах, соответственно, для продольного управления цикли- ческим шагом несущего винта, боко- вого управления циклическим шагом несущего винта и управления хво- стового рулевого винта. Управление основывается на измерениях следую- щих параметров: угла тангажа (theta), угла крена (phi), скорости крена, тан- гажа и рыскания (p, q и r). Контроллер состоит из двух контуров обратной свя- зи. Внутренний контур (блок обратной связи со статическим выходом (SOF), обозначенный светло-голубым цве- том) обеспечивает повышение устой- чивости и развязку. Внешний контур (блоки PI, обозначенные оранжевым цветом) обеспечивает отслеживание уставки на заданном уровне. Можно выделить следующие требо- вания к системе управления: ● отслеживание изменений уставки по параметрам theta, phi и r с нулевой установившейся ошибкой, временем регулирования не более двух секунд, минимальным перерегулированием и минимальной перекрёстной связью; ● обеспечение по всем переменным достаточных запасов по амплитуде и фазе; ● ограничение полосы пропускания замкнутой системы для предохране- ния от воздействия высокочастотных помех из-за движения винта ишумов измерений. Чтобы частично обеспечить соблю- дение третьего пункта требований, в системе управления полётом исполь- зуется фильтр нижних частот (ФНЧ) с отсечкой в 40 рад/с. З АДАЧА НАСТРОЙКИ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ Система управления имеет 21 настраи- ваемый параметр: 6 коэффициентов для трёх PI-контроллеров во внешнем конту- ре и 15 значений (3 × 5) коэффициентов матрицы усиления во внутреннем конту- ре. Начальные значения всех коэффици- ентов PI-контроллеров равны единице, а начальные значения коэффициентов матрицы усиления во внутреннем кон- туре – нулю. После запуска моделиро- вания с этими значениями параметров наблюдается неустойчивое поведение ненастроенной системы (см. рис. 2). Для стабилизации поведения систе- мы и обеспечения всех требований необходимо настроить все парамет- ры (21 значение). Эту задачу следует выполнять с помощьюфункции systune из пакета инструментов Robust Control Toolbox, которая позволяет совместно настроить внутренние и внешние кон- туры управления. П РОЦЕСС АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ НАСТРОЙКИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ Функция systune настраивает систе- му управления, смоделированную в Simulink в соответствии с совокуп- ностью требований, заданных одно- временно во временно ′ й и частотной областях. Процесс настройки включает в себя четыре основных этапа: 1. Определение блоков модели Simu- link, которые нужно настроить. 2. Определение требований. Рис. 1. Блок-схема системы управления полётом вертолёта, состоящей из внутреннего (синий) и внешнего (оранжевый) контура управления