北京九州恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©

12006年3月6日星期一

MATLAB基于模型的控制系统设计——

系统设计与算法仿真

2006年3月6日星期一 2

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©系统开发过程

需求定义

系统设计规范

子系统设计

子系统实现

子系统集成与测试

系统级集成与测试

全系统集成与测试

2006年3月6日星期一 3

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©系统建模系统分析控制器设计… … … …

系统设计与算法仿真

需求定义

系统设计规范

子系统设计

子系统实现

子系统集成与测试

系统级集成与测试

全系统集成与测试

我们的话题

2006年3月6日星期一 4

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©控制系统设计中用到的MATLAB产品

MATLAB所有设计环境的基础

Simulink用于动态系统的建模、仿真和分析

Stateflow用于事件驱动逻辑/行为系统的建模、仿真

Real-Time Workshop，Stateflow coder从模型生成准确可靠的嵌入式代码

Control System Toolbox控制算法的开发

图形化交互式闭环控制分析

其它控制系统设计高级工具箱

2006年3月6日星期一 5

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©控制系统设计中用到的MATLAB产品(续)

Simulink 控制系统设计工具

Simulink Blocksets系统建模的专业模块集合

Real-Time Windows TargetxPC Target

基于PC的快速原型与硬件在回路仿真平台

dSPACE(第三方产品)快速控制原型及硬件在回路仿真的统一解决方案

…… ……

2006年3月6日星期一 6

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©MATLAB环境

高级解释编程语言

基于矩阵的数值计算

图形和可视化

GUIDE工具箱函数的基础

2006年3月6日星期一 7

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©MATLAB工具箱

专业领域功能函数集合数据采集

控制系统设计

信号处理

统计

优化

…… ……超过30个专业应用领域

2006年3月6日星期一 8

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©数据采集工具箱

Data Acquisition Toolbox第三方数据采集卡

Agilent E series使用NI-DAQ驱动包的NI数据采集卡

Measurement Computing CorporationKeithly

>> demoai_acoustic>> chirpsignal_ao

集成的数据采集与分析

环境

MATLAB

http://www.mathworks.com/products/supportedio.html?prodCode=DA

2006年3月6日星期一 9

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©

仪器线缆 通讯设备端口

函数发生器示波器频谱分析仪...

指令 /响应(SCPI)

仪器仪表控制工具箱

Instrument Control Toolbox借助总线协议访问仪器设备

GPIBVXIVISATCP/IP & UDPRS232 RS485 RS422

2006年3月6日星期一 10

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©基于模型设计的核心工具——Simulink

2006年3月6日星期一 11

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©基于模型设计的核心工具——Simulink

Simulink建立和分析线性、非线性动态系统模型具有层次性的交互式模块框图结构设计方法支持数字、模拟和混合信号及事件驱动逻辑建模仿真支持矩阵数据类型及线性代数运算信号可视化与C代码的协同仿真与MATLAB平台紧密集成良好的操作性与可扩展性（模块与库的扩展）

Simulink Blockset适合不同应用领域的专业模块集合

例如:用于航空航天领域的Aerospace Blockset用于物理系统建模的SimMechanics Blockset……

2006年3月6日星期一 12

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©Simulink建模专业模块

Aerospace BlocksetSimMechanicsSimPowerSystemsSimDriveline…… ……

2006年3月6日星期一 13

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©

在Simulink中完成机械系统建模与仿真

刚性体运动多体与多关节

物理连接关系（约束）

多坐标系统

动力学分析正向动力学分析:力与扭矩 -> 加速度、速度与位移

逆向动力学分析:加速度、速度与位移 -> 力与扭矩

控制系统建模工具—— SimMechanics

2006年3月6日星期一 14

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©

使用直观的模块创建系统框图层次化建模

直接建立机械系统模型，模拟其运动过程并且分析结果，避免进行数学公式的推导与变换

在Simulink中同时完成被控对象与控制器的建模与分析避免繁琐的接口

缩短设计流程

实现更好的设计结果

SimMechanics & SolidWorks®

控制系统建模工具—— SimMechanics

2006年3月6日星期一 15

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©

∫ −−−−−−−−−−+−

=)(sin1

)cos()cos())sin(()sin())sin(()sin(2

2222

γαγγααγαγαγγααα

nennenwL &&

&Ground

Joint 1

Arm 1

Joint 2

Arm 2

>> dblpend2

>> mech_dpen.mdl

控制系统建模——双摆

2006年3月6日星期一 16

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©

在Simulink中完成电力系统建模与仿真

建立发电、输变电等电力系统模型和相应的控制系统模型

适合复杂电力系统的设计应用环控系统

电控门窗驱动与座椅调节

车辆、船舶和飞机的电力系统

控制系统建模工具—— SimPowerSystems

2006年3月6日星期一 17

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©

使用标准的电气符号进行系统建模

标准模块：AC / DC 电机

变换器

断路器

二极管, IGBT, GTO MOSFET,晶闸管

强大的分析手段：电流电压的稳态分析

设置初始状态

控制系统建模工具—— SimPowerSystems

2006年3月6日星期一 18

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©控制系统建模工具——Stateflow

对事件驱动系统进行建模和仿真

用图形化方式创建有限状态机状态及状态转移

事件定义（全局或局部）

动作语言

流程图

具有良好的分层设计结构

使用统一的数据结构维护

与MATLAB/Simulink无缝结合

支持代码生成（Stateflow Coder）

2006年3月6日星期一 19

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©控制系统建模工具——Stateflow

2006年3月6日星期一 20

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©优秀的工具创建真实系统的准确模型

MATLAB产品提供了完整的工具用于

创建复杂动态系统模型

复杂动态系统的建模手段

直接从测量数据推测模型

按照首要原则建立模型

使用测量数据校正模型参数

System IdentificationToolbox

Neural Network Toolbox

Simulink ResponseOptimization

Simulink ParameterEstimation

Simulink

2006年3月6日星期一 21

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©控制系统设计工具

控制器设计

• Control System Toolbox• Simulink Control Design• Model Predictive Control ToolBox

模型精炼

• System Identification Toolbox• Neural Networks Toolbox• Simulink Parameter Estimation

参数修正

• Simulink Response Optimization

2006年3月6日星期一 22

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©

高级鲁棒算法Robust Control Toolboxμ-Analysis and Synthesis ToolboxLinear Matrix Inequality Control Toolbox

过程控制Model Predictive Control Toolbox

基于规则的Fuzzy Logic Toolbox

科学计算Neural Network ToolboxOptimization ToolboxStatistics ToolboxGenetic Algorithm and Direct Search Toolbox

控制系统设计工具箱

2006年3月6日星期一 23

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©System Identification Toolbox

通过实测的时域或者频域数据开发

动态系统模型

主要新特性：

支持频域数据辨识模型

简化低阶系统的辨识过程

新函数：ADVICE

优势

从实测数据获取控制系统模型

为Simulink创建符合首要原则的系统

线性模型

2006年3月6日星期一 24

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©Simulink Parameter Estimation

通过实测数据校准系统模型参数

主要特性：

通过GUI工具管理参数估计过程

通过时域瞬态相应数据修订参数

Adaptive Lookup Table Builder

优势

改进模型设计过程，获取更高精度的系统模型

避免反复的测试、修订误差，节约优化模型所需的开发时间

2006年3月6日星期一 25

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©Simulink Control Design

通过GUI工具简化模型线性化工作并分析

线性化结果.主要特性

通过GUI工具管理模型线性化过程

通过多种方式计算系统操作点

进行结果验证与线性分析的扩展工具(LTI Viewer)

优势

降低Simulink模型线性化工作的复杂

程度

节约有限的开发时间，应用高级的线性化模型概念

2006年3月6日星期一 26

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©Control System Toolbox

进行闭环控制系统设计开发的专用工具

主要新特性

性能强大先进的数学计算引擎SLICOT ，改善计算速度和精度

模型降阶的新算法

更多改进的算法用于模态分解

优势

交互式GUI简化线性系统设计工作

与Simulink Control Design互补

2006年3月6日星期一 27

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©LTI观测器

>> load ltiexamples>> ltiview(sys_dc)

2006年3月6日星期一 28

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©SISO系统设计工具

>> load ltiexamples>> sisotool(sys_dc)

2006年3月6日星期一 29

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©Model Predictive Control Toolbox.

基于MATLAB/Simulink模型设计、仿真

模型预报控制器

主要新特性

用于设计仿真预报控制器的GUI在Simulink中实现控制器的模块

支持代码生成

与Simulink Control Design 紧密集成

优势

支持在线模型或者C代码算法发布，

节约开发时间和经费

2006年3月6日星期一 30

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©Simulink Response Optimization

根据用户定义的约束修正模型参数，优化时域响应特性.

主要特性

设置管理优化问题的GUI工具

自动调用优化程序修正Simuink参数

用户自定义的信号约束和响应参考轨迹

优势

避免试凑法修改模型参数，节约研发时间

自动修正参数，节约研发经费

2006年3月6日星期一 31

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©

MATLAB控制系统设计与仿真

工具应用实例

2006年3月6日星期一 32

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©控制器设计应用实例

利用Simulink控制系统设计工具设计闭环控制器

2006年3月6日星期一 33

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©控制器设计应用实例

1. 应用 Simulink Parameter Estimation 工具 —— 通过测量数据校正/精炼模型

2. 应用 Simulink Control Design 工具 —— 提取被控对象

的线性化模型

3. 应用 Control System Toolbox 工具 —— 设计闭环系统

控制器

4. 应用 Simulink Response Optimization 工具 —— 修正

控制器参数

2006年3月6日星期一 34

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©PID控制系统参数优化

>> optsim>> pidtrack_demo

2006年3月6日星期一 35

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©

航空航天模块库开发飞行控制系统NASA开发，HL20自动着陆系统

实现复杂控制系统设计以及故障诊断

主要特性：利用Model Reference创建模型

集成控制系统设计工具

使用Stateflow实现故障诊断和任务调度

航空航天应用

2006年3月6日星期一 36

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©航空航天应用

使用第三方工具实现三维动画显示

飞机动力学模型

大气、重力场、磁场、风环境模块

2006年3月6日星期一 37

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©

使用Stateflow创建故障

诊断控制逻辑

通过Bus模块选择信号

Signal & Scope Manager

使用Model Reference创建

大系统模型

航空航天应用

2006年3月6日星期一 38

恒润科技有限公司

ww

w.

hi

ra

in

.c

om

20

04

©航空航天应用

>> vrtkoff

使用Virtual Reality工具

箱实现动画显示

飞机空气动力学方程