主要内容

利用自动调优方法设计补偿器

这个例子展示了如何使用自动调优方法来调优补偿器控制系统设计者．

选择调优方法

要选择自动调优方法，请执行控制系统设计者,点击调优方法．

可以选择以下调优方式之一:

  • 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-使用在图形调优和分析图中实现的设计要求优化补偿器参数万博1manbetx®优化设计™软件)。

  • LQG合成设计一种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-调优用户指定的稳定反馈控制器，使其具有指定的开环带宽或形状。

  • 内部模型控制(IMC)调优利用IMC设计方法得到了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，单击补偿器节中，选择要调优的补偿器和循环。您可以使用补偿器编辑器来指定补偿器结构。有关更多信息，请参见编辑补偿器动态．

  • 补偿器—在下拉列表中选择需要调优的补偿器。应用程序显示当前补偿器传递函数。

  • 选择要调优的循环—在下拉列表框中选择已存在的开环传递函数进行调优。您可以选择任何开环传递函数从数据浏览器其中包括所选补偿器的串联

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

请注意

  • 对于基于优化的调优，不需要以这种方式指定补偿器和循环进行调优。相反，您可以定义补偿器结构并选择补偿器和预过滤器参数进行优化。有关更多信息，请参见选择可调补偿器元素(万博1manbetxSimulink设计优化)．

  • 除了执行基于优化的调谐外，调谐后补偿器的结构保持为极点和零点。

PID调优

使用控制系统设计者，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

  • PI -比例积分控制

  • PD -比例导数控制

  • 比例导数控制与低通滤波器上的导数项

  • PID -比例积分导数控制

  • 在导数项上使用低通滤波器的比例积分导数控制

进入“PID整定”对话框控制系统设计者,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。使用健壮响应时间方法，您可以:

  • 可调优任意类型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”对话框中规范部分，在调优方法下拉列表，选择健壮的响应时间．

  2. 选择一个控制器类型．如果你愿意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更自由，以实现足够的相位裕度和更快的响应时间。

  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。若要将响应时间修改为原来的十倍，请使用左箭头或右箭头。

      • 瞬态行为—指定控制器的瞬态行为。您可以使控制器在干扰抑制方面更具侵略性，或者在植物不确定性方面更健壮。

    • 频率—通过频域参数配置控制器性能。

      • 带宽—控制系统的闭环带宽。为了获得更快的响应时间，可以增加带宽。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度。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

    如果之前手动指定了控制器结构或使用了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平衡性能和鲁棒性。若要随时恢复这些默认参数，请单击重新设置参数．

经典设计公式

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:

  • 需要一个稳定的或一体化的工厂。有关补偿器所看到的有效装置的更多信息，请参见有效调音植物．

  • 无法调优导数过滤器。如果选择一个PIDF控制器，经典的设计方法将滤波器时间常数设置为道明/ 10,在那里道明是时间的调谐导数。

使用经典方法调优补偿器:

  1. 在“PID整定”对话框中规范部分，在调优方法下拉列表，选择经典设计公式．

  2. 选择一个控制器类型．

    提示

    在补偿器中加入导数动作，使算法具有更大的自由度，以实现足够的相位裕度和更快的响应时间。

  3. 在公式下拉列表，选择经典设计公式。

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

    • 近似MIGO阶跃响应-计算控制器参数使用开环，时域，近似m约束积分增益优化(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chin - hrones - reswick查找表计算PID参数，以获得0%超调和扰动抑制(参见[２]）.

    • Skogestad IMC-将工厂近似为具有时间延迟的一阶模型，并使用Skogestad设计规则计算PID参数[3]）.

      请注意

      这种方法不同于选择内模控制调优作为全阶补偿器调优方法。

    • 齐格勒-尼克尔斯频率响应-根据系统的最终增益和频率，从齐格勒-尼克尔斯查找表计算控制器参数[２]）.

    • 齐格勒-尼克尔阶跃响应-将工厂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的补偿器。点击更新补偿器．

    请注意

    如果之前手动指定了控制器结构或使用了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

基于优化的调优只有在您拥有的情况下才可用万博1manbetxSimulink设计优化软件安装。您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

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

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。在控制系统设计者,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，在优化列中，选择要调优的补偿器元素。

    方法中列出的任何补偿器都可以优化元素数据浏览器．

    中未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—优化算法的起始点。使用当前元素价值随着最初的猜测，单击表格中任意一行，单击使用值作为初始猜测．

    • 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。

    • 典型值用于规范化补偿器元素的缩放因子。

  5. 在设计要求选项卡，在优化列中，选择优化期间要满足的设计需求。

    每个设计需求都与一个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的示例，请参见优化LTI系统以满足频域要求(万博1manbetxSimulink设计优化)而且基于线性化Simulink模型(GUI) PID控制器优化设计万博1manbetx(万博1manbetxSimulink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工作，并考虑到过程干扰和测量噪声。

LQG合成的全阶反馈控制器保证了闭环的稳定性。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，系统的稳态误差为零。

设计LQG控制器:

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

  2. 属性指定控制器的瞬态行为控制器响应滑块。您可以使控制器在干扰抑制方面更具侵略性，或者在植物不确定性方面更健壮。如果你相信你的模型是准确的，并且被操纵的变量有一个足够大的范围，一个激进的控制器是可取的。

  3. 属性指定应用程序的输出测量噪声级别的估计值测量噪声滑块。要产生更健壮的控制器，请指定更大的噪声估计。

  4. 控件指定控制器顺序首选项期望控制器顺序滑块。控制器的最大阶数依赖于系统的有效动态。

  5. 将指定的控制器设计应用于所选的补偿器。点击更新补偿器．

    请注意

    如果之前手动指定了控制器结构或使用了不同的自动调优方法，则单击时该结构将丢失更新补偿器．

举例说明LQG合成的应用控制系统设计者,请参阅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者用于自由形式或固定结构补偿器。要设计自由形式的补偿器，需要有鲁棒控制工具箱许可证。循环成形生成一个稳定反馈控制器，以尽可能地匹配目标循环形状。您可以将此环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“循环整形”对话框。在控制系统设计者,点击调优方法，并选择循环形成．

  2. 选择以下调优首选项之一:

    • 补偿器结构-选择以下补偿器结构之一:

      • 自由格式的结构-如果安装了鲁棒控制工具箱软件，则可以使用自由形式的补偿器结构。使用期望控制器顺序滑块来指定您的控制器顺序偏好。您可以使用补偿器编辑器来指定补偿器结构。有关补偿器编辑器的更多信息，请参见编辑补偿器动态．

      • 固定的结构-当你选择固定的结构，控制系统设计者将使用提供的控制器顺序来执行自动循环整形。

    • 目标带宽—指定目标开环带宽， ω b ，在积分器上产生指定带宽的环路形状， ω b 年代 ．

    • 目标环形状—指定目标开环形状作为一个特遣部队，党卫军,或zpk对象。要限制与目标循环形状匹配的频率，请指定环形成形的频率范围作为一个两元行向量。

  3. 控件指定控制器顺序首选项期望控制器顺序滑块时使用自由形式的补偿器结构。控制器的最大阶数依赖于系统的有效动态。当你使用固定补偿器结构时，控制系统设计者将使用提供的控制器顺序来执行自动循环整形。

  4. 将指定的控制器设计应用于所选的补偿器。点击更新补偿器．

    请注意

    如果之前手动指定了控制器结构或使用了不同的自动调优方法，则单击时该结构将丢失更新补偿器．

内模控制调优

内模控制(IMC)利用植物动态的预测模型来计算控制动作。IMC设计产生了一个全阶反馈控制器，在没有模型误差的情况下保证了闭环的稳定性。调谐补偿器还包含一个积分器，这保证了零稳态偏移的工厂没有一个自由的微分器。稳定和不稳定的植物都可以使用这种调优方法。

设计一个IMC控制器:

  1. IMC控制架构的选择和配置。在控制系统设计者,点击编辑架构．

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

    点击好吧．

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

  3. 指定一个主导闭环时间常数．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，使其更加健壮。

  4. 控件指定控制器顺序首选项期望控制器顺序滑块。控制器的最大阶数依赖于系统的有效动态。

  5. 将指定的控制器设计应用于所选的补偿器。点击更新补偿器．

    请注意

    如果之前手动指定了控制器结构或使用了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，请参见化学反应器装置内模控制器设计．

参考文献

[1] Åström, K. J.和Hägglund, T.“取代齐格勒-尼克尔斯调谐规则。”第7章高级PID控制，三角研究园，NC:仪器仪表，系统和自动化学会，2006，第233-270页。

[2] Åström, K. J.和Hägglund, T.“Ziegler-Nichols' and Related Methods”。第6.2节高级PID控制，三角研究园，NC:仪器仪表，系统和自动化学会，2006,pp. 167-176。

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

另请参阅

相关的话题

控制系统工具箱文档

万博1manbetx

学习如何自动整定PID控制器增益

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