Автонастройка ПИД-регулятора для объекта, смоделированного в Simulink
Чтобы использовать автонастройки ПИД-регулятора для объекта, смоделированного в Simulink®, вы включаете блок автотуннера ПИД в модель. Вы можете управлять процессом автообучения во время работы модели. Когда настройка завершена, можно проверить параметры настроенного контроллера относительно моделируемого объекта. Использование автонастройки ПИД-регулятора таким образом может быть полезно для генерации исходного проекта ПИД, который вы позже уточняете с помощью автоматической настройки в реальном времени.
Рабочий процесс для автообучения в Simulink
Следующие шаги предоставляют общий обзор рабочего процесса для автонастройки ПИД-регулятора в Simulink с использованием блоков Closed-Loop PID Autotuner или Open-Loop PID Autotuner.
Включите ПИД блок autotuner в свою модель между ПИД-регулятором и объектом.
Сконфигурируйте сигнал запуска/остановки, который управляет, когда эксперимент настройки начинается и заканчивается.
Укажите параметры контроллера, такие как тип контроллера и целевая полоса пропускания для настройки.
Сконфигурируйте параметры эксперимента, такие как амплитуды возмущений, введенных во время эксперимента частотной характеристики.
Запустите модель и инициируйте настройку. Используйте сигнал start/stop, чтобы инициировать процесс автонастройки ПИД-регулятора. Когда вы запускаете процесс, блок autotuner вводит тестовые сигналы и измеряет реакцию объекта.
Остановите эксперимент с сигналом запуска/остановки. Когда эксперимент останавливается, блок autotuner вычисляет и возвращает настроенные коэффициенты ПИД. Можно изучить настроенные усиления на разумность.
Перенесите настроенные усиления из блока autotuner в ваш ПИД-регулятор. Затем можно проверить эффективность настроенного контроллера в Simulink.
Шаг 1. Включите Autotuner в модель
Следующий рисунок показывает один из способов включить блок Closed-Loop PID Autotuner между вашим ПИД-регулятором и вашим объектом.
Сигнал управления u из ПИД-регулятора поступает в u порт блока autotuner. Порт u+Δu поступает на вход объекта управления. Прежде чем вы начнете процесс автотунирования, блок autotuner подает сигнал управления ПИД непосредственно от u к u+Δu и входу объекта. В этом состоянии блок autotuner не влияет на поведение объекта или контроллера. В процессе автотунирования блок вводит тестовые сигналы на входе объекта и измеряет реакцию на y.
The start/stop сигнал управляет, когда процесс автотунирования начинается и заканчивается (см. Шаг 2. Сконфигурируйте сигнал запуска/остановки). Когда эксперимент заканчивается, блок вычисляет коэффициенты ПИД и возвращает их в pid gains порт.
Более подробный пример модели Simulink, сконфигурированной для автонастройки ПИД-регулятора с обратной связью, см. в разделе Настройка ПИД-регуляторе в реальном времени с использованием блока с обратной связью ПИД Autotuner.
Бесшумная передача для разомкнутого контура
Блок Open-Loop PID Autotuner открывает цикл между u и u+Δu во время эксперимента по оценке. Если ваш контроллер включает интегральное действие, можно использовать отслеживание сигнала, чтобы избежать насыщения интегратора, когда цикл открыт. Отслеживание сигнала позволяет ПИД-регулятору продолжать отслеживать реальный вход объекта во время его выхода из цикла. Без него ваша система может испытать отбойник, когда цикл управления закроется в конце процесса настройки. В системе следующего рисунка ПИД-регулятора является блоком Simulink PID Controller с параметром Enable tracking mode on. Вход объекта подается на вход отслеживания блока контроллера.
Более подробный пример модели Simulink, настроенной для разомкнутого контура автонастройки ПИД-регулятора, см. в разделе Настройка ПИД-регуляторе в режиме реального времени с использованием Разомкнутого контура ПИД Autotuner Block.
Шаг 2. Сконфигурируйте сигнал запуска/остановки
Чтобы запустить и остановить процесс автотунирования, используйте сигнал в start/stop порт. Когда эксперимент не запускается, блок передает сигналы без изменений от u к u+Δu. В этом состоянии блок не влияет на поведение объекта или контроллера.
Эксперимент по оценке частотной характеристики начинается и заканчивается, когда блок получает сигнал повышения или падения в start/stop порт, соответственно. В системах, проиллюстрированных на шаге 1. Включите Autotuner в модель, сигнал запуска/остановки является простым ключом. Пока модель работает, можно использовать switch, чтобы начать и закончить эксперимент. Когда вы заканчиваете эксперимент, алгоритм генерирует настроенные коэффициенты ПИД, и блок возвращает их в pid gains порт.
В качестве альтернативы ручному коммутатору можно сконфигурировать start/stop сигнал для начала и завершения эксперимента автоматически в определенные времена симуляции. Например, можно использовать сумму двух блоков Step: Сконфигурируйте один блок Step на шаг от 0 до 1 во время начала эксперимента и блок второго Step на шаг от 1 до 0 во время окончания. Подайте сумму двух сигналов в start/stop порт блока PID autotuner.
Можно сконфигурировать любую другую логику, подходящую для вашего приложения, чтобы контролировать начало и времена остановки эксперимента. Для получения дополнительной информации о том, когда начать и остановить эксперимент, смотрите Шаг 5. Запустите модель и инициируйте эксперимент по настройке.
Шаг 3. Задайте параметры контроллера и цели настройки
В ПИД блоке autotuner задайте строение ПИД-регулятора, которые вы настраиваете, используя следующие параметры блоков:
Type
Form
Time Domain
Controller sample time (sec)
Integrator method
Filter method
Затем задайте целевую полосу пропускания и запас по фазе для настройки с параметрами Target bandwidth (rad/sec) и Target phase margin (degrees), соответственно.
Целевая полоса пропускания, заданная в рад/сек, является целевым значением для 0-dB частота среза усиления настроенного разомкнутого контура отклика CP, где P - реакция объекта управления и C - реакция контроллера. Эта частота среза примерно устанавливает пропускную способность управления. Для желаемого времени нарастания τ секунд хорошее предположение для целевой полосы пропускания составляет 2/ τ рад/сек.
Целевой запас по фазе отражает вашу желаемую робастность настроенной системы. Обычно выбирают значение в области значений около 45-60 °. В целом более высокий запас по фазе улучшает перерегулирование, но может ограничить скорость отклика. Значение по умолчанию, 60 °, имеет тенденцию балансировать эффективность и робастность, давая около 5-10% перерегулирования, в зависимости от характеристик вашего объекта.
Для получения дополнительной информации о настройке этих параметров смотрите страницы Closed-Loop PID Autotuner или Open-Loop PID Autotuner блочных ссылок.
Шаг 4. Установите параметры эксперимента
Эксперимент по оценке частотной характеристики вводит синусоидальные сигналы на частотах вокруг целевой ωc полосы частот:
[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 ваше растение асимптотически стабильно, блок Open-Loop PID Autotuner может оценить коэффициент усиления постоянного тока объекта с помощью шагового возмущения. Задайте амплитуду этого возмущения с параметром Step Amplitude . Если у вашего объекта есть один интегратор, очистите параметр Estimate DC gain with step signal.
Внимание
Не используйте автонастройку ПИД-регулятора с обратной связью или без разомкнутого контура с нестабильным объектом.
Не используйте автонастройку ПИД-регулятора без разомкнутого контура с объектом, который имеет более одного интегратора. Вы можете использовать автонастройки ПИД-регулятора с обратной связью с объектом с несколькими интеграторами.
Все амплитуды возмущения должны быть:
Достаточно большое, что возмущение преодолевает любую тупиковую полосу в приводе объекта и генерирует ответ выше уровня шума.
Достаточно маленькая, чтобы сохранить объект в пределах приблизительно линейной области около номинальной рабочей точки и избежать насыщения входных или выходных параметров объекта.
Для получения дополнительной информации о настройке параметров эксперимента смотрите страницы Closed-Loop PID Autotuner и Open-Loop PID Autotuner блочных ссылок.
Шаг 5. Запустите модель и инициируйте эксперимент по настройке
После того, как вы сконфигурировали все параметры для настройки, запустите модель.
Если вы сконфигурировали ручное
start/stopсигнал, начните эксперимент, когда ваш объект достигнет устойчивого состояния.Если вы сконфигурировали
start/stopсигнал начать и завершить процесс настройки в определенные моменты времени, позволяют симуляции работать достаточно долго, чтобы начать эксперимент.
Шаг 6. Остановите эксперимент и исследуйте настроенные усиления
Эксперимент по оценке частотной характеристики заканчивается, когда start/stop падает сигнал.
Если вы сконфигурировали ручное
start/stopсигнал, завершите эксперимент, когда сигнал на% convвыход стабилизируется около 100%.Если вы сконфигурировали
start/stopсигнал начать и завершить процесс настройки в определенные моменты времени, позволяют симуляции пройти через конец эксперимента.
В любом случае консервативная оценка для времени эксперимента составляет 200/ ωc для настройки с обратной связью или 100/ ωc для настройки разомкнутого контура, где ωc является вашей целевой полосой пропускания.
Когда вы останавливаете эксперимент, блок вычисляет новые коэффициенты ПИД на основе предполагаемой частотной характеристики системы и ваших заданных целей настройки. Исследуйте их на разумность. Для образца, если у вас есть начальный ПИД-регулятор, можно ожидать, что настроенные усиления будут примерно такими же, величина и усиления исходного проекта. Существует несколько способов увидеть настроенные усиления:
Просмотрите выходы
pid gainsпорт блока autotuner. Один из способов просмотреть этот выход - соединить выход с блоком Simulink Display.В блоке, на вкладке Block, нажмите Export to MATLAB. Блок создает структуру в MATLAB® рабочая область,
OnlinePIDTuningResult. Для получения дополнительной информации о содержимом этой структуры см. Closed-Loop PID Autotuner или Open-Loop PID Autotuner страниц с описанием блоков.
Шаг 7. Обновление ПИД-регулятора с помощью настроенных коэффициентов усиления
Блок autotuner может записать настроенные параметры контроллера непосредственно в блок ПИД-регулятора, если ваш ПИД-регулятор либо:
Блок PID Controller Simulink.
Пользовательский ПИД-регулятор, для которого оба следующих условия верны:
Пользовательский контроллер является маскированной подсистемой.
Это коэффициенты ПИД масочных параметров с именем
P,I,D, иN. (Вам не нужно использовать все четыре параметра. Для примера, если вы используете пользовательское ПИ-контроллер, то вам нужны только параметры маскиPиI.)
Чтобы сконфигурировать блок autotuner, чтобы записать настроенные усиления на ваш контроллер, определите контроллер как associated PID block в параметрах блоков PID autotuner. (Для получения дополнительной информации см. Раздел Closed-Loop PID Autotuner или Open-Loop PID Autotuner страниц с описанием блоков.) Затем обновите контроллер, нажав Update PID Block. Вы можете обновить коэффициенты ПИД во время симуляции. Это полезно для немедленной проверки настроенных коэффициентов ПИД.
Примечание
В любой момент во время симуляции можно изменить параметры настройки или эксперимента, начать эксперимент снова и подтолкнуть новые настроенные усиления к блоку PID. Затем можно наблюдать поведение объекта, поскольку симуляция продолжается с новыми усилениями.
Коэффициентов ПИД вручную
Если ваш пользовательский ПИД-регулятор не удовлетворяет условиям прямого обновления, вы должны перенести настроенные усиления на ваш контроллер другим способом, например, вручную или с вашей собственной логикой.
Когда вы исследуете эти усиления и передаете их на свой собственный контроллер, имейте в виду значение этих усилений в блоках автотуннера ПИД. В дискретном времени блоки принимают следующую передаточную функцию ПИД-регулятора:
в параллельной форме, или в идеальной форме,
Fi (z) и Fd (z) зависят от значений, заданных для Integrator method и Filter method формул, соответственно. Для получения дополнительной информации см. Closed-Loop PID Autotuner или Open-Loop PID Autotuner страниц с описанием блоков.
См. также
Closed-Loop PID Autotuner | Open-Loop PID Autotuner