simulink顯示多個數據_如何在 Simulink 中使用 PID Tuner 進行 PID 調參？

作者?|?安布奇責編?| 胡雪蕊出品 | CSDN(ID: CSDNnews)本文為一篇技術干貨，主要講述在Simulink如何使用PID Tuner進行PID調參。

PID調參器( PIDTuner)概述

1.1 簡介

使用PID Tuner可以對Simulink模型中的PID控制器，離散PID控制器，兩自由度PID控制器，兩自由度離散PID控制器進行調參，實現控制性能和健壯性的良好平衡。在使用PID Tuner的時候，它會自動做一些工作：

自動計算被控裝置的線性模型。PID Tuner會將PID控制塊輸入和輸出之間所有Simulink塊的組合看作為一個被控裝置，因此被控裝置將會包括控制環中所有塊體，不僅僅是控制器本身。

自動給出一個經過控制性能和魯棒性(健壯性)平衡的初始PID控制設計。這個過程基于經過線性化的被控裝置模型的開環頻率響應特性。

提供交互性工具和響應曲線來幫助設計滿足要求的PID控制系統。

1.2 PID Tuner 使用場景

自動地、交互性地對位于單環、單位反饋的系統前向通路中的單輸入單輸出(SISO)PID控制器進行調參。
自動地、交互性地調整如下例子中位于環形結構中的兩自由度PID控制器參數：
交互性地使用SISO系統的響應數據來擬合一個控制原型并自動進行調參從而得到最終的控制模型。(需要System IdentificationToolbox工具)

1.3 應用 PID Tuner 的典型設計流程：

(1)啟動 PID Tuner 。在啟動的時候，這個軟件將會從Simulink模型自動計算得到一個被控裝置的線性近似模型并生成一個初始的PID控制器。(2)通過在兩個設計模型(上述的線性近似模型和原始控制器模型)中手動調節設計準則(設計偏好)來調整PID Tuner的參數，PID Tuner會計算出使系統穩定的PID參數。(3)從設計好的控制模型中導出參數到原始被控裝置的PID控制器中，在Simulink中驗證PID控制器表現是否符合要求。

1.4 PID Tuner對被控裝置的近似

PID Tuner會將PID控制塊輸入和輸出之間所有塊的組合看作為一個被控裝置。在被控裝置中使用的Simulink塊可以是非線性的，但是因為自動調參需要使用一個線性模型，PID Tuner會給出一個被控裝置的線性化近似模型來代替原來包含非線性部分的裝置模型。這個線性化的模型是對非線性系統的近似，并且在原系統給定工作點的鄰域內有效。默認情況下，PID Tuner對裝置進行線性化的時候，將使用在Simulink模型中配置的初始條件作為近似裝置的工作點，然后根據近似裝置設計一個初始PID控制器。但是有時需要為一個工作點不是模型初始條件的裝置設計PID控制器，比如：

Simulink模型在初始條件下工作沒有達到穩態，而PID控制器是針對穩態設計的。

在增益調節應用中需要設計多個控制器，且要求每個控制器的工作點不相同。

在這些情況下，需要在PID Tuner中改變近似裝置的工作點。限于篇幅，這里暫不做討論。

1.5 PID調參算法簡介

典型PID調參目標包括：

閉環穩定性。即閉環系統對于有界輸入保持輸出有界。

足夠的性能。閉環系統跟蹤參考信號變化和對干擾的抑制要盡可能快，擁有更大的環路帶寬(單位開環增益)以及對參考信號變化和干擾有更快的響應速度。

默認情況下，PID Tuner內置的PID調參算法將基于裝置的動力學模型選擇穿越頻率(環路帶寬)并且設計目標相位裕度為６０°。每次在PID Tuner中改變PID控制器的響應時間、帶寬、過渡特性(超調等)以及相位裕度時，調參算法都會重新計算PID增益。如果給定健壯性指標(最小相位裕度)，調參算法將會給出一個經過參考信號跟蹤性能和干擾抑制性能平衡的控制器設計。如果需要更改設計偏好(design focus)，可以在PID Tuner的Options選項中進行設置。

當調整設計偏好的時候，調參算法將會嘗試調整增益來滿足跟蹤性能或者干擾抑制性能中的一項(取決于設計偏好)，同時實現與之前相同的最小相位裕度。系統中的可調參數越多，越有可能在不犧牲魯棒性的情況下得到期望的 PID控制算法。例如，對PID控制器設置設計偏好比對Ｐ控制器或者PI控制器設置更有效。在任何時候，調整控制系統性能很大程度上依賴于被控裝置的特性，對于一些裝置，調整設計偏好是沒有用的。

自動調參實踐

2.1 打開一個示例模型

在MATLAB命令行中打開一個引擎速度控制器模型來進行操作：open_system('scdspeedctrlpidblock')打開如圖所示系統：

2.2 設計概要

設計一個PI控制器完成引擎速度控制。設計目標是跟蹤一個來自Simulink step block的參考信號scdspeedctrlpidblock/SpeedReference。設計要求如下：

過渡時間小于5秒。
穩態誤差為0。

在這個例子中，通過在 PID Tuner中設計PI控制器 scdspeedctrl/PID來穩定反饋回路并實現對參考信號的良好跟蹤。

2.3 打開PID Tuner

雙擊PID控制塊來打開一個對話框。在Main這個選項中點擊Tune。

2.4 初始化PID設計

當PID Tuner啟動時，它會自動識別出被控裝置的輸入和輸出，計算得出裝置的線性近似模型。原始被控裝置可以有任意的階數和延時。PID Tuner將計算出一個控制性能和健壯性經過合理折中的初始PI控制器。默認情況下，階躍參考信號跟蹤性能將會用曲線展示出來。下圖展示了PID Tuner給出的初始PI控制模型：

2.5 顯示PID參數

點擊 Show parameters 來顯示控制參數P和I以及一系列控制性能和健壯性的度量指標。

在這個例子中，初始PI控制器的過渡時間為2秒，滿足設計要求。

2.6 在 PID Tuner中調整PID 設計

參考信號跟蹤響應的超調大概為2.5%。因為在滿足過渡時間要求的前提下還有一些余量，我們可以通過增加響應時間來減小超調。向左移動響應時間滑塊來增加閉環系統的響應時間。注意在調整響應時間的時候，響應曲線和控制器參數以及性能指標也在不斷更新。下圖展示了調整后的PID設計，此時超調為零，過渡時間為3.6秒。這個設計好的控制器已經滿足設計要求。