在Simulink - MATLAB & Simulink中建模的植物PID自整定

模拟装置的PID自整定动态仿真模块

对Simulink中建模的植物使用PID自动整定^®，您将PID自动调谐器块合并到模型中。您可以在模型运行时控制自动调优过程。当完成调优后，您可以根据模拟工厂验证调优的控制器参数。用这种方式使用PID自动整定对于生成一个初始的PID设计非常有用，稍后您可以使用实时自动整定对其进行优化。

自动调优工作流程动态仿真模块

下面的步骤提供了在Simulink中使用PID自动整定的工作流程的总体概述闭环PID自动调谐器或开环PID自动调谐器块。

合并一个PID自动调谐器块进入你的模型之间的PID控制器和工厂。
配置启动/停止信号它控制调优实验开始和结束的时间。
指定控制器参数例如控制器类型和调优的目标带宽。
配置实验参数例如在频率响应实验中注入的扰动的振幅。
运行模型并初始化调优．使用启动/停止信号启动PID自动整定过程。当您启动该过程时，自动调谐器块注入测试信号并测量装置的响应。
停止实验带有启动/停止信号。当实验停止时，自动调谐器块计算并返回调谐后的PID增益。你可以检查调谐增益的合理性。
转移调谐增益从自调谐器块到PID控制器。然后可以在Simulink中验证调优控制器的性能。

步骤1。将自动调谐器并入模型

下面的插图显示了一种合并a的方法闭环PID自动调谐器在你的PID控制器和你的工厂之间的块。

控制信号u从PID控制器进给u自动调谐器块的端口。的u +Δ端口输入到工厂输入。在你开始自动调谐过程之前，自动调谐块直接从PID控制信号u来u +Δ还有植物的输入。在这种状态下，自动调谐块对设备或控制器的行为没有影响。在自动调优过程中，块在设备输入端注入测试信号，并测量在的响应y．

的启动/停止信号控制自动调优过程开始和结束的时间(参见步骤2。配置启动/停止信号)．当实验结束时，块计算PID增益并在pid增益端口。

有关配置闭环PID自动整定的Simulink模型的更详细示例，请参见利用闭环PID自整定块实时整定PID控制器．

用于开环调谐的无颠簸传输

的开环PID自动调谐器块打开之间的循环u而且u +Δ在估计实验中。如果你的控制器包含积分动作，你可以使用信号跟踪来避免积分器在回路打开时关闭。信号跟踪使PID控制器继续跟踪真实的工厂输入，而它是在环外。如果没有它，当控制循环在调优过程结束时关闭时，系统可能会遇到颠簸。在下面的演示系统中，PID控制器是一个SimulinkPID控制器块启用跟踪模式参数。该设备输入输入到控制器块的跟踪输入。

有关Simulink模型配置为开环PID自动整定的更详细示例，请参见利用开环PID自整定块实时整定PID控制器．

步骤2。配置启动/停止信号

的信号来启动和停止自动调优过程启动/停止端口。当实验不运行时，block传递的信号不变u来u +Δ．在这种状态下，块对设备或控制器的行为没有影响。

频率响应估计实验开始和结束时，块接收上升或下降的信号在启动/停止端口,分别。在阐明的系统中步骤1。将自动调谐器并入模型，启动/停止信号是一个简单的开关。当模型运行时，您可以使用开关开始和结束实验。当你结束实验，算法产生调谐PID增益和块返回他们在pid增益端口。

作为手动开关的替代方案，您可以配置启动/停止在特定的模拟时间自动开始和结束实验的信号。例如，您可以使用两个的和一步blocks:配置一个一步在实验开始时，块从0到1，然后一秒一步在结束时阻塞从1到0的步骤。将两个信号的和输入启动/停止PID自整定块的端口。

您可以配置任何其他适合您的应用程序的逻辑来控制实验的开始和停止时间。有关何时开始和停止实验的更多信息，请参见第5步。运行模型并启动调优实验．

步骤3。指定控制器参数和调优目标

在PID自动调优块中，使用以下块参数指定PID控制器的配置:

类型
形式
时间域
控制器采样时间(秒)
积分器的方法
过滤方法

然后，指定用于调优的目标带宽和相位裕量目标带宽(rad/sec)而且目标相位裕度(度)参数,分别。

目标带宽，以rad/sec指定，是调谐开环响应的0-dB增益交叉频率的目标值CP,在那里P是植物的反应，和C是控制器响应。这个交叉频率大致设定了控制带宽。求所需的上升时间τ秒，目标带宽的一个很好的猜测是2/τrad /秒。

目标相位裕量反映了您所期望的调优系统的鲁棒性。一般情况下，选择45°- 60°范围内的值。一般来说，较高的相位裕度可以改善超调，但会限制响应速度。默认值，60°，倾向于平衡性能和鲁棒性，产生约5-10%的超调，这取决于您的设备的特性。

有关设置这些参数的详细信息，请参见闭环PID自动调谐器或开环PID自动调谐器阻止参考页面。

步骤4。设置实验参数

频率响应估计实验在目标带宽附近注入正弦信号ω_c：

[1/3, 1, 3, 10]ω_c为开环PID自动调谐器块
[1/10,1/3, 1,3, 10]ω_c为闭环PID自动调谐器块

使用正弦振幅参数，以指定这些信号的振幅。

如果装置渐近稳定，则开环PID自动调谐器块可以在阶跃摄动下估计出直流增益。用函数指定这个扰动的振幅一步振幅参数。如果您的工厂只有一个集成器，请清除用阶跃信号估计直流增益参数。

谨慎

对于不稳定的设备，不要使用闭环或开环PID自动整定。
对于有多个积分器的装置，不要使用开环PID自动整定。你可以使用多积分器的闭环PID自动整定。

所有摄动振幅必须为:

大到足以使扰动克服装置执行器中的任何死区，并产生高于噪声水平的响应。
小到足以使装置运行在接近标称工作点的近似线性区域内，并避免使装置输入或输出饱和。

有关设置实验参数的更多信息，请参见闭环PID自动调谐器而且开环PID自动调谐器阻止参考页面。

第5步。运行模型并启动调优实验

在您为调优配置了所有参数之后，运行模型。

如果您配置了手册启动/停止信号，当你的装置达到稳定状态时开始实验。
如果已配置启动/停止信号在特定时间开始和结束调优过程，允许模拟运行足够长的时间来开始实验。

步骤6。停止实验并检查调谐增益

频率响应估计实验结束时启动/停止信号下降。

如果您配置了手册启动/停止信号，实验结束时，信号在% conv产量稳定在接近100%。
如果已配置启动/停止信号在特定时间开始和结束调优过程，允许模拟运行到实验结束。

在这两种情况下，实验时间的保守估计是200/ω_c对于闭环调优或100/ω_c对于开环调优，其中ω_c是您的目标带宽。

当你停止实验时，块计算新的PID增益基于系统的估计频率响应和你指定的调优目标。检查它们的合理性。例如，如果您有一个初始PID控制器，您可能期望调谐增益与初始设计的增益大致相同。有几种方法可以查看调整后的增益:

的输出pid增益自动调谐器块的端口。查看此输出的一种方法是将输出连接到Simulink显示块。
在街区里，在块选项卡上,单击导出到MATLAB．该块在MATLAB中创建一个结构^®工作区,OnlinePIDTuningResult．有关此结构内容的更多信息，请参见闭环PID自动调谐器或开环PID自动调谐器阻止参考页面。

步骤7。更新PID控制器与调谐增益

自动调谐块可以将调优的控制器参数直接写入PID控制器块，如果你的PID控制器是:

一个仿真软件PID控制器块。
一个自定义PID控制器，对于它，以下条件都为真:
- 自定义控制器是一个屏蔽子系统。
- PID增益称为掩码参数P，我，D,N．(您不需要使用所有四个参数。例如，如果您使用自定义PI控制器，那么您只需要掩码参数P而且我．）

要配置自动调谐器块以将调谐增益写入控制器，请将控制器指定为相关PID块在PID自整定块参数。(要了解更多信息，请参见闭环PID自动调谐器或开环PID自动调谐器屏蔽参考页面。)然后，通过单击更新您的控制器更新PID阻塞．您可以在模拟运行时更新PID增益。这样做有助于立即验证调谐PID增益。

请注意

在模拟过程中的任何时候，你都可以改变调谐或实验参数，重新开始实验，并将新的调谐增益推入PID块。然后你可以观察你的植物的行为，模拟继续与新的增益。

手动更新PID增益

如果您的自定义PID控制器不满足直接更新的条件，您必须通过其他方式将调优增益转移到您的控制器，例如手动或使用您自己的逻辑。

当你检查这些增益并将它们转移到你自己的控制器时，要注意PID自动调谐器块中这些增益的含义。在离散时间下，块假定以下PID控制器传递函数:

$C ＝ P + 我 F_{我} （ z ） + D ［ \frac{N}{1 + N F_{d} （ z ）} ］，$

在平行形式或理想形式中，

$C ＝ P ［ 1 + 我 F_{我} （ z ） + D （ \frac{N}{1 + N F_{d} （ z ）} ）］．$

F_我（z),F_d（z)取决于您为积分器的方法而且过滤方法公式,分别。有关更多详细信息，请参见闭环PID自动调谐器或开环PID自动调谐器阻止参考页面。

另请参阅

闭环PID自动调谐器|开环PID自动调谐器