ПИД, автоматически настраивающийся для объекта, смоделированного в Simulink

Чтобы использовать ПИД, автоматически настраивающийся для объекта, смоделированного в Simulink^®, вы включаете блок автотюнера ПИДа в модель. Можно управлять процессом автоматической настройки, в то время как модель запускается. Когда настройка завершена, можно подтвердить настроенные параметры контроллера против моделируемого объекта. Используя ПИД, автоматически настраивающий этот путь, может быть полезно для генерации первоначального проекта ПИДа, который вы позже совершенствовали с автоматической настройкой в реальном времени.

Рабочий процесс для автоматической настройки в Simulink

Следующие шаги предоставляют общий обзор рабочего процесса для ПИДа, автоматически настраивающегося в Simulink с помощью блоков Автотюнера ПИДа Автотюнера или Разомкнутого цикла ПИДа С обратной связью.

Включите блок автотюнера ПИДа в свою модель между ПИД-регулятором и объектом.
Сконфигурируйте запустить/остановить сигнал, который управляет, когда настраивающийся эксперимент начинается и заканчивается.
Задайте параметры контроллера, такие как тип контроллера и целевая пропускная способность для настройки.
Сконфигурируйте параметры эксперимента, такие как амплитуды возмущений, введенных во время эксперимента частотной характеристики.
Запустите модель и инициируйте настройку. Используйте запустить/остановить сигнал инициировать процесс автоматической настройки ПИДа. Когда вы запускаете процесс, блок автотюнера вводит тестовые сигналы и измеряет ответ объекта.
Остановите эксперимент с запустить/остановить сигналом. Когда эксперимент останавливается, блок автотюнера вычисляет и возвращает настроенные коэффициенты ПИД. Можно исследовать настроенные усиления на обоснованность.
Передайте настроенные усиления с блока автотюнера на ваш ПИД-регулятор. Можно затем подтвердить производительность настроенного контроллера в Simulink.

Шаг 1. Включите автотюнер в модель

Следующий рисунок показывает один способ включить блок Closed-Loop PID Autotuner, промежуточный ваш ПИД-регулятор и ваш объект.

Управляющий сигнал u от ПИД-регулятора питается в порт u блока автотюнера. Порт u+Δu питается в объект введенный. Прежде чем вы начнете процесс автоматической настройки, блок автотюнера питает управляющий сигнал ПИДа непосредственно от u до u+Δu и входа объекта. В том состоянии блок автотюнера не имеет никакого эффекта на поведение контроллера или объект. Во время процесса автоматической настройки блок вводит тестовые сигналы во входе объекта и измеряет ответ в y.

Сигнал start/stop управляет, когда процесс автоматической настройки начинается и концы (см. Шаг 2. Сконфигурируйте Запускают/Останавливают Сигнал). Когда эксперимент заканчивается, блок вычисляет коэффициенты ПИД и возвращает их в порте pid gains.

Для более подробного примера модели Simulink, сконфигурированной для автоматической настройки ПИДа с обратной связью, смотрите ПИД-регулятор Мелодии в режиме реального времени Используя Блок Автотюнера ПИДа С обратной связью.

Передача Bumpless для настройки разомкнутого цикла

Блок Open-Loop PID Autotuner открывает цикл между u и u+Δu во время эксперимента оценки. Если ваш контроллер включает интегральное действие, можно использовать отслеживание сигнала, чтобы избежать завершения интегратора, в то время как цикл открыт. Отслеживание сигнала позволяет ПИД-регулятору продолжить отслеживать действительный вход объекта, в то время как это вне цикла. Без него ваша система может испытать удар, когда цикл управления закрывается в конце настраивающего процесса. В системе следующего рисунка ПИД-регулятор является блоком Simulink PID Controller с параметром Enable tracking mode на. Объект ввел подачу во вход отслеживания блока контроллера.

Для более подробного примера модели Simulink, сконфигурированной для автоматической настройки ПИДа разомкнутого цикла, смотрите ПИД-регулятор Мелодии в режиме реального времени Используя Блок Автотюнера ПИДа Разомкнутого цикла.

Шаг 2. Сконфигурируйте Запускают/Останавливают Сигнал

Чтобы запустить и остановить процесс автоматической настройки, используйте сигнал в порте start/stop. Когда эксперимент не запускается, сигналы передач блока, неизменные от u до u+Δu. В этом состоянии блок не оказывает влияния на поведение контроллера или объект.

Эксперимент оценки частотной характеристики начинается и заканчивается, когда блок получает повышение или падающий сигнал в порте start/stop, соответственно. В системах, проиллюстрированных на Шаге 1. Включите Автотюнер в Модель, запустить/остановить сигнал является простым переключателем. В то время как модель запускается, можно использовать переключатель, чтобы начать и закончить эксперимент. Когда вы заканчиваете эксперимент, алгоритм генерирует настроенные коэффициенты ПИД, и блок возвращает их в порте pid gains.

Как альтернатива ручному переключателю, можно сконфигурировать сигнал start/stop начать и закончить эксперимент автоматически в конкретных временах симуляции. Например, можно использовать сумму двух блоков Шага: Сконфигурируйте один блок Step, чтобы продвинуться от 0 до 1 во время начала эксперимента и второй блок Step, чтобы продвинуться от 1 до 0 во время окончания. Питайте сумму двух сигналов в порт start/stop блока автотюнера ПИДа.

Можно сконфигурировать любую другую логику, подходящую для приложения, чтобы управлять запуском и временами остановки эксперимента. Для получения дополнительной информации о том, когда запустить и остановить эксперимент, смотрите Шаг 5. Запустите Модель и Инициируйте Настраивающийся Эксперимент.

Шаг 3. Задайте параметры контроллера и настраивающиеся цели

В блоке автотюнера ПИДа задайте настройку ПИД-регулятора, который вы настраиваете, с помощью следующих параметров блоков:

Type
Form
Time Domain
Controller sample time (sec)
Integrator method
Filter method

Затем задайте целевую пропускную способность и поле фазы для настройки с Target bandwidth (rad/sec) и параметрами Target phase margin (degrees), соответственно.

Целевая пропускная способность является целевым значением для перекрестной частоты с 0 усилениями дБ настроенного ответа разомкнутого цикла CP, где P является ответом объекта, и C является ответом контроллера. Эта перекрестная частота примерно устанавливает пропускную способность управления. Для желаемого времени нарастания τ хорошее предположение для целевой пропускной способности является 2/τ.

Целевое поле фазы отражает вашу желаемую робастность настроенной системы. Как правило, выберите значение в области значений приблизительно 45 °– 60 °. В целом более высокое поле фазы улучшает перерегулирование, но может ограничить скорость ответа. Значение по умолчанию, 60 °, имеет тенденцию балансировать производительность и робастность, приводя приблизительно к 5-10%-му перерегулированию, в зависимости от характеристик вашего объекта.

Для получения дополнительной информации об установке этих параметров, смотрите страницы с описанием блока Closed-Loop PID Autotuner или Open-Loop PID Autotuner.

Шаг 4. Установите параметры эксперимента

Эксперимент оценки частотной характеристики вводит синусоидальные сигналы на частотах вокруг целевой пропускной способности _ωc:

[1/3, 1, 3, 10] _ωc для блока Open-Loop PID Autotuner
[1/10,1/3, 1, 3, 10] _ωc для блока Closed-Loop PID Autotuner

Используйте параметр Sine Amplitudes блоков, чтобы задать амплитуды этих сигналов.

Если ваш объект асимптотически стабилен, блок Open-Loop PID Autotuner может оценить усиление DC объекта с возмущением шага. Задайте амплитуду этого возмущения с параметром Step Amplitude . Если ваш объект имеет один интегратор, очистите параметр Estimate DC gain with step signal.

Внимание

Не используйте или ПИД или разомкнутого цикла с обратной связью, автоматически настраивающийся с нестабильным объектом.
Не используйте ПИД разомкнутого цикла, автоматически настраивающийся с объектом, который имеет больше чем один интегратор. Можно использовать ПИД с обратной связью, автоматически настраивающийся с объектом нескольких-интеграторов.

Все амплитуды возмущения должны быть:

Достаточно большой, что возмущение преодолевает любую мертвую зону в приводе объекта и генерирует ответ выше уровня шума.
Достаточно маленький, чтобы поддерживать объект в рабочем состоянии приблизительно в линейной области около номинальной рабочей точки и постараться не насыщать ввод или вывод объекта.

Для получения дополнительной информации об установке параметров эксперимента, смотрите страницы с описанием блока Closed-Loop PID Autotuner и Open-Loop PID Autotuner.

Шаг 5. Запустите модель и инициируйте настраивающийся эксперимент

После того, как вы сконфигурируете все параметры для настройки, запустите модель.

Если вы сконфигурировали ручной сигнал start/stop, начните эксперимент, когда ваш объект достиг установившийся.
Если вы сконфигурировали сигнал start/stop начать и закончить настраивающий процесс в конкретные моменты времени, позвольте симуляции запускаться достаточно долго, чтобы начать эксперимент.

Шаг 6. Остановите эксперимент и исследуйте настроенные усиления

Оценка частотной характеристики экспериментирует концы, когда start/stop сигнализирует о падениях.

Если вы сконфигурировали ручной сигнал start/stop, закончите эксперимент, когда сигнал в % conv вывод стабилизирует близкие 100%.
Если вы сконфигурировали сигнал start/stop начать и закончить настраивающий процесс в конкретные моменты времени, позвольте симуляции пробегать конец эксперимента.

Или в случае, осторожная оценка в течение времени эксперимента является 200/_ωc для настройки с обратной связью или в 100/_ωc для настройки разомкнутого цикла, где _ωc является вашей целевой пропускной способностью.

Когда вы останавливаете эксперимент, блок вычисляет новые коэффициенты ПИД на основе предполагаемой частотной характеристики системы и ваших заданных настраивающих целей. Исследуйте их на обоснованность. Например, если у вас будет начальный ПИД-регулятор, вы можете ожидать, что настроенные усиления будут примерно тем же значением как усиления первоначального проекта. Существует несколько способов видеть настроенные усиления:

Просмотрите вывод порта pid gains блока автотюнера. Один способ просмотреть этот вывод состоит в том, чтобы соединить вывод с блоком Simulink Display.
В блоке, во вкладке Block, нажимают Export to MATLAB. Блок создает структуру в рабочей области MATLAB^®, OnlinePIDTuningResult. Для получения дополнительной информации о содержимом этой структуры, смотрите страницы с описанием блока Closed-Loop PID Autotuner или Open-Loop PID Autotuner.

Шаг 7. Обновите ПИД-регулятор с настроенными усилениями

Блок автотюнера может записать настроенные параметры контроллера непосредственно в блок ПИД-регулятора, если ваш ПИД-регулятор также:

Блок Simulink PID Controller.
Пользовательский ПИД-регулятор, для которого следующие условия оба верны:
- Пользовательский контроллер является подсистемой маскированной.
- Коэффициенты ПИД являются параметрами маски под названием P, I, D и N. (Вы не должны использовать все четыре параметра. Например, если вы используете пользовательский контроллер PI, затем вам только нужны параметры маски P и I.)

Чтобы сконфигурировать блок автотюнера, чтобы записать настроенные усиления вашему контроллеру, назначьте контроллер как associated PID block в параметрах блоков автотюнера ПИДа. (Для получения дополнительной информации смотрите видение страниц с описанием блока Closed-Loop PID Autotuner или Open-Loop PID Autotuner.) Затем обновите свой контроллер путем нажатия на Update PID Block. Можно обновить коэффициенты ПИД, в то время как симуляция запускается. Выполнение так полезно для того, чтобы сразу подтвердить настроенные коэффициенты ПИД.

Примечание

В любое время во время симуляции, можно изменить параметры настройки или эксперимента, запустить эксперимент снова и продвинуть новые настроенные усиления к блоку PID. Можно затем наблюдать поведение объекта, когда симуляция продолжает новые усиления.

Ручное обновление коэффициентов ПИД

Если ваш пользовательский ПИД-регулятор не удовлетворяет условия для прямого обновления, необходимо передать настроенные усиления контроллеру некоторый другой путь, такой как вручную или с собственной логикой.

Когда вы исследуете эти усиления и передаете их вашему собственному контроллеру, знать о значении этих усилений в блоках автотюнера ПИДа. В дискретное время блоки принимают следующую передаточную функцию ПИД-регулятора:

$C = P + F_{i} (z) I + \frac{D}{N + F_{d} (z)},$

в параллельной форме, или в идеальной форме,

$C = P (1 + \frac{F_{i} (z)}{I} + \frac{D}{D / N + F_{d} (z)}) .$

_Fi (z) и _Fd (z) зависит от значений, которые вы задаете для Integrator method и формул Filter method, соответственно. Для получения дополнительной информации смотрите страницы с описанием блока Closed-Loop PID Autotuner или Open-Loop PID Autotuner.

Документация