主要内容

利用自动调优方法设计补偿器

此示例演示如何使用中的自动调优方法调优补偿器控制系统设计．

选择优化方法

要选择自动调优方法，请在控制系统设计,点击调优方法．

选择以下一种调优方法:

  • PID调优-调整PID增益以平衡性能和鲁棒性或使用经典的调整公式。

  • 基于优化的调优-优化补偿器参数使用设计要求实现在图形调优和分析图(要求动态仿真模块®优化设计™软件)。

  • LQG合成-设计一个全阶稳定反馈控制器作为线性-二次-高斯(LQG)跟踪器。

  • 循环形成

    • 自由格式的结构-找到一个具有指定开环带宽或形状的全阶稳定反馈控制器(需要鲁棒控制工具箱™软件)。

    • 固定的结构-用指定的开环带宽或形状调优用户指定的稳定反馈控制器。

  • 内部模型控制(IMC)调优-利用IMC设计方法得到一个全阶稳定反馈控制器。

选择补偿器和循环调优

在所选调优方法的对话框中补偿器段，选择补偿器和要调优的循环。可以使用补偿器编辑器指定补偿器结构。有关更多信息，请参见编辑动态补偿器．

  • 补偿器—在下拉列表中选择要调优的补偿器。应用程序显示当前补偿器转移功能。

  • 选择要调优的循环—在下拉列表中选择待调优的开环传输函数。你可以选择任何开环传递函数从数据浏览器其中包括所选的串联补偿器

  • 添加新的循环-创建一个新的循环来调优。在“开环传输功能”对话框中，选择信号和环路开口，配置环路传输功能。

请注意

  • 对于基于优化的调优，您不需要以这种方式指定补偿器和循环来调优。相反，您可以定义补偿器结构并选择补偿器和预滤波参数进行优化。有关更多信息，请参见选择可调补偿器元素(仿真软件设计优化)．

  • 除了进行基于优化的调谐外，在调谐后补偿器的结构保持为极点和零。

PID调优

使用控制系统设计，可自动调优以下任一PID控制器类型:

  • P -比例控制

  • I -积分控制

  • 比例积分控制

  • PD -比例导数控制

  • 在导数项上使用低通滤波器的比例导数控制

  • PID -比例积分导数控制

  • 在导数项上带低通滤波器的比例积分-导数控制

打开“PID整定”对话框控制系统设计,点击调优方法,并选择PID调优．

健壮的响应时间

鲁棒响应时间算法自动调整PID参数，以平衡性能和鲁棒性。使用鲁棒响应时间方法，您可以:

  • 调优任何类型的PID控制器的所有参数。

  • 为稳定的、不稳定的或综合的植物设计。

使用以下方法调优补偿器:

  1. 在“PID整定”对话框中，可以看到规范的部分,调优方法下拉列表中,选择健壮的响应时间．

  2. 选择一个控制器类型．如果你选择PD或PID,请检查一阶导数滤波器设计分别设计PDF或PIDF控制器。

    提示

    在控制器中加入导数动作，使算法具有更大的自由度，既能获得足够的相位裕度，又能获得更快的响应时间。

  3. 在设计模式下拉列表中，选择以下选项之一:

    • 时间—通过时域参数指定控制器性能。

      • 响应时间—设置控制器响应时间的快慢。要将响应时间修改为原来的10倍，请使用左箭头或右箭头。

      • 瞬态行为—设置控制器的瞬态行为。你可以使控制器在干扰抑制方面更积极，或在对抗植物不确定性方面更稳健。

    • 频率—通过频域参数指定控制器性能。

      • 带宽—控制系统的闭环带宽。要产生更快的响应时间，请增加带宽。若要将带宽修改为10倍，请使用左箭头或右箭头。

      • 阶段保证金—指定系统的目标相位裕量。为了减少超调并创建一个更健壮的控制器，增加相位裕度。

  4. 若要将指定的控制器设计应用于所选补偿器，请单击更新补偿器．

    请注意

    如果以前手动指定控制器结构或使用不同的自动调优方法，则单击时该结构将丢失更新补偿器．

  5. 默认情况下，应用程序自动计算控制器参数，以平衡性能和鲁棒性。若要随时恢复到这些默认参数，请单击重新设置参数．

经典的设计公式

您可以使用经典的PID设计公式来调优P、PI、PID和PIDF控制器。这些设计公式:

  • 需要一个稳定的或完整的工厂。有关补偿器所看到的有效植物的更多信息，请参见调谐有效植物．

  • 无法调优衍生过滤器。如果你选择一个PIDF控制器，经典的设计方法设置滤波器时间常数为道明/ 10,在那里道明是调谐后的导数时间。

使用经典方法调优补偿器:

  1. 在“PID整定”对话框中，可以看到规范的部分,调优方法下拉列表中,选择经典的设计公式．

  2. 选择一个控制器类型．

    提示

    在补偿器中加入微分动作，使算法具有更大的自由度，既能获得足够的相位裕度，又能获得更快的响应时间。

  3. 在公式下拉列表，选择经典设计公式。

    • 近似的MIGO频率响应-使用闭环，频域，近似m约束积分增益优化计算控制器参数[1]）.

    • 近似MIGO阶跃响应-使用开环，时域，近似m约束积分增益优化计算控制器参数(参见[1]）.

    • Chien-Hrones-Reswick-将工厂近似为具有时间延迟的一阶模型，并使用Chien-Hrones-Reswick查找表计算PID参数，以实现0%超调和干扰抑制(参见[２]）.

    • Skogestad IMC-将植物近似为具有时滞的一阶模型，并使用Skogestad设计规则计算PID参数(参见[3]）.

      请注意

      这种方法不同于选择内部模型控制调优作为全阶补偿器调优方法。

    • Ziegler-Nichols频率响应-基于系统的最终增益和频率(参见Ziegler-Nichols查找表)计算控制器参数[２]）.

    • Ziegler-Nichols阶跃响应-将植物近似为具有时滞的一阶模型，并使用Ziegler-Nichols设计方法计算PID参数(参见[２]）.

  4. 将指定的控制器设计应用于所选补偿器。点击更新补偿器．

    请注意

    如果以前手动指定控制器结构或使用不同的自动调优方法，则单击时该结构将丢失更新补偿器．

文中针对调优

基于优化的调优仅在具备以下条件时可用仿真软件优化设计软件安装。可以使用该方法通过优化控制器参数来设计LTI模型的控制系统。

请注意

基于优化的调优只改变控制器参数的值，而不改变控制器结构本身。有关添加或删除补偿器元素的信息，请参见编辑动态补偿器．

使用基于优化的调优设计控制器:

  1. 定义要调优的补偿器的结构。通常，您可以手动或使用不同的自动调优方法设计初始控制器。

  2. 打开响应优化对话框。在控制系统设计,点击调优方法,并选择文中针对调优．

  3. 选择补偿器参数进行优化。在补偿器选项卡,优化列中，选择要调优的补偿器元素。

    中列出的任何补偿器都可以优化元素数据浏览器．

    控件中没有选择的任何元素优化列在优化期间保持其当前值。

  4. 对于每个补偿器元素，指定:

    • 最初的猜测-优化算法的起点。使用当前元素价值随着最初的猜测，单击表格中的某一行，单击用价值作为初始猜测．

    • 最低而且最大元素值的边界。优化将搜索结果限制在指定的范围内。

    • 典型值归一化补偿器元件的比例因子。

  5. 在设计要求选项卡,优化列，选择优化时要满足的设计要求。

    每个设计要求都与特定响应的图相关联数据浏览器．

    有关添加和编辑设计需求的信息，请参见设计要求．

  6. (可选)配置优化选项。在优化选项卡上,单击优化选项．

  7. 点击开始优化．

有关基于优化的调优示例，请参见优化LTI系统以满足频域要求(仿真软件设计优化)而且线性化Simulink模型(GUI) PID控制器的优化设计(仿真软件设计优化)．

LQG合成

线性二次高斯(LQG)控制是一种设计最优动态调节器和设定点跟踪器的技术。这种技术允许您权衡性能和控制努力，并考虑过程干扰和测量噪声。

LQG合成产生了保证闭环稳定性的全阶反馈控制器。所设计的控制器包含一个积分器，保证了在没有自由微分器的情况下，装置的稳态误差为零。

设计一个LQG控制器:

  1. 打开LQG合成对话框。在控制系统设计,点击调优方法,并选择LQG合成．

  2. 参数指定控制器的瞬态行为控制器响应滑块。你可以使控制器在干扰抑制方面更积极，或在对抗植物不确定性方面更稳健。如果您相信您的模型是准确的，并且被操纵的变量有足够大的范围，那么积极控制器是可取的。

  3. 方法为应用程序指定输出测量噪声级别的估计值测量噪声滑块。为了产生一个更鲁棒的控制器，指定一个更大的噪声估计。

  4. 方法指定控制器顺序首选项所需的控制器顺序滑块。最大控制器顺序取决于有效的装置动力学。

  5. 将指定的控制器设计应用于所选补偿器。点击更新补偿器．

    请注意

    如果以前手动指定控制器结构或使用不同的自动调优方法，则单击时该结构将丢失更新补偿器．

以LQG合成为例进行说明控制系统设计,请参阅利用控制系统设计器设计LQG跟踪器．

循环形成

您可以使用环路整形来设计SISO补偿器控制系统设计对于自由形式或固定结构的补偿器。设计自由形式补偿器的环路整形需要鲁棒控制工具箱许可。环路整形生成一个稳定的反馈控制器，以尽可能接近地匹配目标环路形状。您可以将此环路形状指定为带宽或开环频率响应。

使用环路整形设计控制器:

  1. 打开“循环成形”对话框。在控制系统设计,点击调优方法,并选择循环形成．

  2. 选择以下一个调优首选项:

    • 补偿器结构-选择下列补偿器结构之一:

      • 自由格式的结构-如果您安装了鲁棒控制工具箱软件，您可以使用自由形式的补偿器结构。使用所需的控制器顺序滑块指定您的控制器顺序首选项。可以使用补偿器编辑器指定补偿器结构。有关补偿器编辑器的更多信息，请参见编辑动态补偿器．

      • 固定的结构-当你选择固定的结构,控制系统设计将使用提供的控制器顺序执行自动循环成形。

    • 目标带宽——指定一个针对开环带宽, ω b ，在积分器上产生指定带宽的环路形状， ω b 年代 ．

    • 目标回路形状——指定针对开环的形状作为一个特遣部队,党卫军,或zpk对象。若要限制与目标循环形状匹配的频率，请指定环路整形的频率范围作为一个双元素行向量。

  3. 方法指定控制器顺序首选项所需的控制器顺序滑块时使用自由形式的补偿器结构。最大控制器顺序取决于有效的装置动力学。当你使用固定补偿器结构时，控制系统设计将使用提供的控制器顺序执行自动循环成形。

  4. 将指定的控制器设计应用于所选补偿器。点击更新补偿器．

    请注意

    如果以前手动指定控制器结构或使用不同的自动调优方法，则单击时该结构将丢失更新补偿器．

内部模型控制调优

内部模型控制(IMC)利用一个预测模型的工厂动态计算控制动作。IMC设计产生一个全阶反馈控制器，在无模型误差的情况下保证闭环稳定性。调谐补偿器还包含一个积分器，它保证了没有自由微分器的装置的零稳态偏移。您可以将此调优方法用于稳定和不稳定的植物。

设计一个IMC控制器:

  1. 选择并配置IMC控制架构。在控制系统设计,点击编辑架构．

    在Edit Architecture对话框中，选择第五个控制架构，并导入plant模型，G1预测模型,G2，和扰动模型Gd．

    点击好吧．

  2. 打开“内部模型控制(IMC)调优”对话框。在控制系统设计,点击调优方法,并选择内部模型控制(IMC)调优．

  3. 指定一个主闭环时间常数．默认值为开环设置时间的5%。一般来说，增加这个值会降低闭环系统的速度，使其更健壮。

  4. 方法指定控制器顺序首选项所需的控制器顺序滑块。最大控制器顺序取决于有效的装置动力学。

  5. 将指定的控制器设计应用于所选补偿器。点击更新补偿器．

    请注意

    如果以前手动指定控制器结构或使用不同的自动调优方法，则单击时该结构将丢失更新补偿器．

有关IMC调优的示例，请参见化工堆装置内模控制器设计．

参考文献

[1] Åström, K. J.和Hägglund, T.“取代Ziegler-Nichols调优规则。”第七章在先进的PID控制，三角研究园，NC:仪表、系统和自动化社会，2006，第233-270页。

[2] Åström, K. J.和Hägglund, T.“Ziegler-Nichols和相关方法。”6.2节中先进的PID控制，三角研究园，NC:仪表、系统和自动化社会，2006,167-176页。

[3] Skogestad, S.“模型约简和PID控制器整定的简单解析规则。”过程控制学报， 2003年第13卷第4期，第291-309页。

另请参阅

相关的话题

Baidu
map