Control System Toolbox

Progettazione e analisi di sistemi di controllo

Control System Toolbox fornisce algoritmi e applicazioni per analizzare, progettare e regolare sistematicamente i sistemi di controllo lineari. È possibile specificare il sistema come funzione di trasferimento, modello stato-spazio, rappresentazione poli-zeri-guadagno o risposta in frequenza. Le app e le funzionalità, quali il grafico della risposta allo scalino e il diagramma di Bode, consentono di analizzare e visualizzare il comportamento del sistema nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza.

È possibile regolare i parametri del compensatore usando tecniche interattive come il Bode loop shaping e il metodo del luogo delle radici. Il toolbox regola automaticamente entrambi i compensatori SISO e MIMO, inclusi i controller PID. I compensatori possono includere più blocchi regolabili che coinvolgono diversi cicli di feedback. È possibile regolare controllori gain-scheduled e specificare più obiettivi di regolazione, come l’inseguimento del segnale di riferimento, la reiezione ai disturbi e i margini di stabilità. Si può poi convalidare il progetto verificando il tempo di salita, la sovraelongazione, il tempo di assestamento, i margini di guadagno e di fase e altri requisiti.

Cos'è Control System Toolbox?

Modelli lineari

Crea modelli lineari del tuo sistema di controllo utilizzando la funzione di trasferimento, stato-spazio e altre rappresentazioni. Esegui la discretizzazione dei modelli. Semplifica i modelli riducendone l’ordine.

Funzioni di trasferimento e modelli stato-spazio

Crea modelli di sistemi lineari tempo-invariante utilizzando le funzioni di trasferimento o le rappresentazioni stato-spazio. Manipola i controller PID e i dati di risposta in frequenza. Modella sistemi SISO o MIMO, continui o discreti. Costruisci diagrammi a blocchi complessi collegando modelli di base in serie, in parallelo o in retroazione.

Funzioni di trasferimento in MATLAB (4:15)

Modellazione di sistemi di controllo con oggetti del modello

Connessione di modelli

Creazione di modelli di tempo discreto

Modelli stato-spazio, parte 1: creazione e analisi

Discretizzazione dei modelli

Utilizza le funzioni a riga di comando o le attività interattive di Live Editor per ricampionare modelli di sistemi dinamici e convertire i modelli tra domini a tempo continuo e a tempo discreto. Utilizza il metodo Zero-Order Hold, bilineare (Tustin), corrispondenza poli-zeri e altri metodi di conversione.

Discretizzazione e ricampionamento di modelli

Discretizzazione di un compensatore

Discretizzazione di un filtro elimina banda

Conversione di un sistema a tempo discreto in un sistema a tempo continuo

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Riduzione di modelli

Utilizza l’app Model Reducer, l’attività di Live Editor o le funzioni a riga di comando per ridurre in modo interattivo l’ordine dei modelli degli impianti o dei controller preservando le dinamiche importanti per la tua applicazione. Utilizza le tecniche di troncamento bilanciato, semplificazione poli-zero o selezione della modalità.

Riduzione dell’ordine dei modelli con l’app Model Reducer

Riduzione di modelli tramite troncamento bilanciato

Semplificazione poli-zero

Riduzione di modelli tramite selezione della modalità

Riduzione dell’ordine del modello con l’app Model Reducer

Analisi lineare

Visualizza il comportamento di sistema nel dominio del tempo e della frequenza. Calcola caratteristiche di sistema come tempo di salita, overshoot e tempo di assestamento. Analizza la stabilità del sistema.

Analisi nei domini di tempo e frequenza

Utilizza l’app Linear System Analyzer per visualizzare e mettere a confronto le risposte in tempo e frequenza tra più modelli utilizzando la risposta allo scalino e la risposta all'impulso, i diagrammi di Bode, Nichols e Nyquist, la rappresentazione del valore singolare e il diagramma poli-zeri. Esamina le caratteristiche come il tempo di salita, il tempo di assestamento e l’overshoot massimo.

Analisi congiunta dei domini di tempo e frequenza

Caratteristiche del dominio del tempo su diagrammi di risposta

Caratteristiche del dominio della frequenza su diagrammi di risposta

Valori numerici delle caratteristiche di sistema nel dominio del tempo

Funzioni di trasferimento in MATLAB

Analisi della stabilità

Calcola il margine di guadagno, il margine di fase e le frequenze crossover. Esamina le posizioni dei poli e dello zero di sistemi dinamici a livello grafico e numerico. Calcola il coefficiente di smorzamento, la frequenza naturale e la costante di tempo dei poli di un modello lineare.

Valutazione dei margini di guadagno e di fase

Posizioni di poli e zero

Valori numerici delle caratteristiche del dominio della frequenza di un modello SISO

Analisi dei sistemi di controllo con ritardi

Calcolo dei margini di guadagno, dei margini di fase e delle frequenze crossover.

Passività e vincoli settoriali

Calcola diverse misure di passività per sistemi lineari tempo-invariante. Analizza i sistemi per la passività e i vincoli conici-settoriali arbitrari.

Indici di passività

Indici di passività e vincoli settoriali

Stabilità assoluta per un sistema quantizzato

Controllo delle vibrazioni in una trave flessibile

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Controllo PID

Regola i guadagni del controller PID utilizzando strumenti di regolazione interattivi e automatici.

Regolazione PID

Utilizza l’app PID Tuner, l’attività di Live Editor o le funzioni a riga di comando per regolare automaticamente i guadagni del controller PID e bilanciare prestazioni e robustezza. Specifica i parametri di regolazione, quali il tempo di risposta e il margine di fase desiderati. Regola controller PID continui o discreti.

Progettazione di un controller PID per l’inseguimento rapido del segnale di riferimento

Regolazione del controller PID per favorire l’inseguimento del segnale di riferimento o la reiezione ai disturbi (PID Tuner)

Progettazione di un sistema di controllo a cascata con i controller PI

Controllo di processi con tempi morti lunghi: il predittore di Smith

Progettazione di controller PID con Control System Toolbox.

Stima interattiva della dinamica di un impianto

Crea un modello di un impianto dai dati di input-output misurati direttamente nell’app PID Tuner utilizzando System Identification Toolbox. Oppure, utilizza Live Editor per identificare le dinamiche dell’impianto e regolare il controller PID.

Progettazione interattiva di controlli utilizzando le attività di Live Editor (4:56)

"Stima in modalità interattiva i parametri l'impianto da dati di risposta

Regolazione del controller PID in base ai dati di misurazione dell’impianto utilizzando le attività di Live Editor

Progettazione di un controller PID utilizzando dati I/O simulati

Regolazione di controller PID in base a dati di input-output misurati

Controllo PID 2-DOF

Regola i controller PID con due gradi di libertà (2-DOF). Utilizza un controller PID 2-DOF al posto di un controller PID 1-DOF per ottenere una migliore reiezione ai disturbi senza un aumento significativo dell’overshoot nell’inseguimento dei segnali di riferimento.

Regolazione di un controller PID 2-DOF (PID Tuner)

Regolazione di un controller PID 2-DOF (riga di comando)

Tipi di controller PID per la regolazione

Controllo PI multi-loop di un braccio robotico

Regolazione di un controller PID 2-DOF (linea continua) e confronto con un controller PID 1-DOF (linea tratteggiata) nell’applicazione PID Tuner.

Progettazione di un compensatore

Progetta in modo interattivo e analizza sistemi di controllo

Progettazione interattiva mediante il luogo delle radici e diagrammi di Bode

Utilizza l’app Control System Designer per progettare in modo interattivo e analizzare sistemi di controllo SISO. Regola graficamente i comuni componenti di controllo quali PID, reti di anticipo/ritardo e filtri eliminabanda utilizzando il luogo delle radici, i diagrammi di Bode e i diagrammi di Nichols.

Introduzione a Control System Designer

Progettazione con diagrammi di Bode

Progettazione mediante il luogo delle radici

Progettazione con diagrammi di Nichols

Progettazione di sistemi di controllo con l’app Control System Designer

Monitoraggio con risposta ad anello chiuso

Visualizza le risposte ad anello aperto e chiuso utilizzando diagrammi di risposta allo scalino, Nyquist e altri diagrammi che si aggiornano in modo dinamico in base alla regolazione del controller. Specifica e valuta i requisiti di progettazione nel dominio del tempo e della frequenza come il tempo di salita, l’overshoot massimo, il margine di guadagno e il margine di fase.

Analisi dei progetti utilizzando i diagrammi di risposta

Progettazione di controller di un modello interno per un impianto con reattore chimico

Progettazione di un compensatore per di una serie di modelli di impianti

Controllo di un impianto non lineare in molteplici punti operativi

Progettazione multi-loop

Regola controller costituiti da più anelli SISO. Chiudi sequenzialmente gli anelli SISO, visualizza le interazioni tra gli anelli e regola in modo iterativo ciascun anello per ottimizzare le prestazioni complessive.

Progettazione di un sistema di controllo multi-loop

Progettazione di feedback multi-loop a cascata

Specifica di un’architettura del sistema di controllo multi-loop nell’app Control System Designe

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Regolazione automatica

Affina automaticamente i sistemi di controllo per soddisfare requisiti di progettazione di alto livello

Anelli SISO e MIMO

Utilizza l’app Control System Tuner o le funzioni a riga di comando per modellare e regolare le architetture dei sistemi di controllo SISO o MIMO con semplici elementi regolabili, come i guadagni, i controllori PID o i filtri di ordine basso. Regola congiuntamente diversi anelli in un sistema di controllo multi-loop.

Regolazione di un sistema di controllo con Control system Tuner

Controllo digitale della tensione dello stadio di potenza

Regolazione di sistemi di controllo multi-loop

Controllo di un pendolo inverso su un carrello

Sincronizzazione automatica di un sistema di controllo del volo di un elicottero

Obiettivi nel dominio del tempo e della frequenza

Specifica e visualizza i requisiti di regolazione, come le prestazioni di tracciamento, reiezione ai disturbi, amplificazione del rumore, posizioni dei poli a circuito chiuso e margini di stabilità. Sintonizza automaticamente i parametri del controller per soddisfare i requisiti indispensabili (vincoli progettuali) e per soddisfare al meglio gli altri requisiti (obiettivi).

Controllo multi-loop di un elicottero

Controllo MIMO di un motore diesel

Pilota automatico a struttura fissa di un aereo di linea

Ottimizzare il sistema LTI per soddisfare i requisiti nel dominio della frequenza

Sincronizzazione automatica di un controller di una colonna di distillazione multivariabile

Regolare in base a una serie di modelli di impianto

Progetta un controller resistente ai cambiamenti delle dinamiche dell’impianto, a causa di variazioni dei parametri e delle condizioni operative e di guasti ai sensori o agli attuatori.

Regolazione per più valori di parametri degli impianti

Controllo fault-tolerant di un aereo passeggeri

Progettazione di un compensatore per di una serie di modelli di impianti

Progettazione di controlli multi-modello

Progettazione di un controller resistente alle variazioni dei parametri dell’impianto.

Gain scheduling

Progetta e regola controller gain-scheduled per impianti non lineari o variabili nel tempo

Controller gain-scheduled in Simulink

Modella sistemi di controllo gain-scheduled in Simulink utilizzando blocchi come il controller PID variabile, la funzione di trasferimento variabile, il filtro eliminabanda variabile e il filtro passa-basso variabile.

Modellare sistemi di controllo gain-scheduled in Simulink

Implementare controller PID gain-scheduled

Controllo gain-scheduled di un reattore chimico

Controllo della velocità angolare del pilota automatico di un HL-20

Libreria per la modellazione di controller gain-scheduled in Simulink.

Regolazione delle superfici di guadagno

Regola automaticamente i coefficienti delle superfici di guadagno per soddisfare i requisiti prestazionali nel limite di esercizio del sistema e ottimizzare le transizioni tra i punti operativi. Specifica i requisiti che variano in base alle condizioni operative. Valida i risultati di regolazione in tutto l’intervallo operativo del tuo progetto.

Progettare famiglie di controller PID per più punti operativi

Regolazione di un pilota automatico gain-scheduled a tre anelli

Flusso di lavoro MATLAB per la regolazione del pilota automatico di un HL-20

Modificare i requisiti in base alla condizione operativa

Pianificazione dei guadagni di controller PID

Stima dello stato e progettazione LQG

Utilizza i metodi di progettazione di controlli stato-spazio, come gli algoritmi LQG/LQR e di posizionamento dei poli. Progetta osservatori tra cui filtri Kalman lineari e non lineari.

LQR/LQG e posizionamento dei poli

Progetta regolatori lineari quadratici discreti e continui (LQR) e controller lineari quadratici Gaussiani (LQG). Calcola le matrici di guadagno di feedback per collocare i poli ad anello chiuso nelle posizioni desiderate.

Stato-spazio, Parte 4: Che cos'è il controllo LQR? (17:23)

Controllo di motori CC

Controllo dello spessore di una trave d’acciaio

Stato-spazio, Parte 2: Posizionamento dei poli (14:54)

Modelli stato-spazio, Parte 2: Progettazione dei controlli

Filtri di Kalman

Progetta e simula filtri di Kalman lineari stazionari e variabili nel tempo. Genera codice C/C++ per questi filtri utilizzando MATLAB Coder e Simulink Coder.

Progettazione di filtri Kalman

Stime dello stato mediante il filtro di Kalman variabile nel tempo

Comprendere i filtri Kalman, Parte 6: Come utilizzare un filtro di Kalman in Simulink

Stimatori di stato non lineari

Stima gli stati di sistemi non lineari utilizzando filtri Kalman estesi e unscented o filtri particolati in MATLAB e Simulink. Genera codice C/C++ per questi filtri utilizzando MATLAB Coder e Simulink Coder.

Stima dello stato non lineare mediante il filtro di Kalman unscented e il filtro particolato

Stimare gli stati di sistemi non lineari con sensori multipli multi-rate

Stima di stati e parametri in Simulink tramite il blocco del filtro particolato

Comprendere i filtri Kalman, Parte 7: Come utilizzare un filtro di Kalman esteso in Simulink

Progettazione di controlli in Simulink

Analizza e regola i sistemi di controllo modellati in Simulink.

Analisi lineare

Utilizza lo strumento di analisi lineare in Simulink Control Design per linearizzare i modelli Simulink. Calcola le risposte di tempo e frequenza di modelli linearizzati utilizzando la risposta allo scalino e la risposta all'impulso, i diagrammi di Bode, Nichols e Nyquist, la rappresentazione del valore singolare e il diagramma poli-zeri.

Linearizza il modello Simulink al punto operativo del modello

Regolare e linearizzare una cellula aeronautica

Linearizzazione di un sistema pneumatico agli snapshot della simulazione

Linearizzare in batch un modello per le variazioni dei valori dei parametri utilizzando lo strumento di analisi lineare

Regolazione in modalità batch e linearizzazione

Progettazione di un compensatore

Regola graficamente i cicli di feedback SISO modellati in Simulink tramite Simulink Control Design. Progetta controller utilizzando editor grafici interattivi Nichols, Bode e luogo delle radici per aggiungere, modificare e rimuovere poli, zeri e guadagni del controller.

Inseguimento del segnale di riferimento di un motore CC con variazioni dei parametri

Progettazione di un compensatore pre-filtro/feedback ad anello singolo

Progetta un compensatore utilizzando la regolazione PID automatica e la progettazione con diagramma di Bode

Trimming, linearizzazione e progettazione del controllo per un aereo

Regolazione di un compensatore

Regola automaticamente i guadagni dei controller PID modellati in Simulink. Utilizza l’app Control System Tuner o gli strumenti a riga di comando in Simulink Control Design per regolare automaticamente i guadagni e le dinamiche degli elementi di controllo distribuiti in qualsiasi numero di cicli di feedback in Simulink.

Inseguimento del segnale di riferimento di un motore CC con variazioni dei parametri (3:53)

Regolazione di un controller PID in Simulink

Regolare i controller orientati al campo utilizzando SYSTUNE

Regolare sistemi di controllo multi-loop