设计补偿器使用自动PID调整和图形博德设计- MATLAB和Simulink万博1manbetx

设计补偿器使用自动PID调整和图形博德设计

这个例子展示了如何为Simulink设计补偿器万博1manbetx^®模型使用自动PID调优。

系统模型

本例使用watertank_comp_design万博1manbetx仿真软件模型。打开模型，在MATLAB中^®命令行输入:

watertank_comp_design

此模型包含水箱系统在单回路反馈系统中建立了对象模型和PID控制器。

若要查看水箱模型，请双击水箱系统块。

该模型表示如下水箱系统:

在哪里

H是水箱中水的高度。
卷是水箱里的水的体积。
V是施加到泵上的电压。
A为罐的横截面积。
b是一个常数，与流入槽内的流量有关。
一个是一个与流出槽的流量有关的常数。

水从顶部以与泵上的电压成比例的速度进入水箱。水从水箱底部的开口流出，流出的速度与水箱中水高度的平方根成正比。水流速率中平方根的存在导致了一个非线性的植物。根据这些流量，油箱容积变化率为:

$\frac{d}{d t} V o l = A \frac{d H}{d t} = b V - 一个 \sqrt{H}$

设计要求

调节PID控制器满足以下闭环阶跃响应设计要求:

超过5%以下
上升时间少于5秒

开式控制系统设计器

打开控制系统设计，在Simulin万博1manbetxk模型窗口中，在应用程序画廊,点击控制系统设计.

控制系统设计打开并自动打开“编辑体系结构”对话框。

指定要调优的块

要指定要调优的补偿器，请在“编辑体系结构”对话框中单击添加模块.

在“选择要调优的块”对话框中，在左侧窗格中，单击控制器子系统和调优的复选框中PID控制器.

点击好吧.

在“编辑体系结构”对话框中，应用程序将选择的控制器块添加到要调优的块列表中块选项卡。在信号标签，该应用程序还添加了输出的PID控制器块到分析点的列表位置.

当控制系统设计打开，它将以前在Simulink模型中定义的所有分析点添加到万博1manbetx位置列表。为watertank_comp_design，有两个这样的信号。

想要的水位块输出参考信号为闭环阶跃响应
水箱系统块输出-闭环阶跃响应的输出信号

要线性化Simulink模型并设置万博1manbetx控制体系结构，请单击好吧.

默认情况下,控制系统设计在模型初始条件下线性化工厂模型。

应用程序将PID控制器添加到数据浏览器,在控制器和固定块区域。该应用程序还计算开环传递函数的输出PID控制器，并将此响应添加到数据浏览器.

图闭环阶跃响应

分析了控制器的设计，建立了系统的闭环传递函数，并绘制了系统的阶跃响应。

在控制系统选项卡上,单击新的剧情,并选择新的一步.

在新步骤中绘制对话框，在选择对Plot的响应下拉列表中,选择新的输入-输出传输响应.

中添加输入信号指定输入信号区,点击“+”。在下拉列表中，选择的输出想要的水位块。

中添加输出信号指定输出信号区,点击“+”。在下拉列表中，选择的输出水箱系统块。

要创建闭环传递函数并绘制阶跃响应，单击情节.

要查看响应图上的最大超调，请右键单击图区域，然后选择特征>峰值响应.

要查看响应图上的上升时间，右键单击图区域，然后选择特征>上升时间.

鼠标移过特征指示器以查看它们的值。目前的设计有:

最大超调47.9%。
上升时间2.13秒。

此响应不满足5%超调设计要求。

调整补偿器使用自动PID调整

要使用自动PID调优来调整补偿器，单击调优方法,并选择PID调优.

在PID调优对话框中，在规范部分，选择以下选项:

调优方法- - - - - -健壮的响应时间
控制器类型- - - - - -π

点击更新补偿器.应用程序更新新的补偿器设置的闭环响应，并更新阶跃响应图。

要检查系统性能，请将鼠标移到响应特征标记上。带调谐补偿器的系统响应为:

最大超调13.8%。
上升时间51.2秒。

此响应超出了5%的最大允许超调。上升时间比要求的5秒的上升时间要慢得多。

使用波德图形调谐调整补偿器

为了减少上升时间，使用图形波德调谐交互式地增加补偿器增益。

要打开开环Bode编辑器，单击调优方法,并选择波德编辑器.

在“选择对编辑的响应”对话框中，的输出处的开环响应PID控制器块已经被选中。要打开此响应的Bode编辑器，请单击情节.

查看波德编辑器和阶跃响应情节并排，上视图选项卡上,单击左/右.

在波德编辑器绘图，将星等响应向上拖动以增加补偿器增益。通过增加增益，可以增加带宽并加快响应速度。

当您向上拖动Bode响应时，应用程序将自动更新补偿器和相关的响应图。另外，当你在状态栏的右侧发布剧情时，应用程序会显示更新后的增益值。

增加补偿器增益，直到阶跃响应满足设计要求。一个可能的解决方案是将增益设置为1.7.

在此增益值下，闭环响应为:

最大超调量4.74%。
上升时间4.36秒。

微调控制器使用补偿编辑器

要直接调整补偿器的参数，请使用补偿器编辑器。在波德编辑器，右击绘图区，然后选择编辑补偿器.

上的“补偿器编辑器”对话框中参数选项卡，调整PID控制器增益。有关编辑补偿器参数的详细信息，请参阅使用补偿器万博1manbetx编辑器调整Simulink块.

当调谐补偿器满足设计要求时，稳定时间超过30秒。为了提高沉降时间，调整沉降P和我控制器参数手动设置。

例如，将补偿器参数设置为:

P=4
我=0.1

该补偿器产生的闭环响应为:

最大超调量为0.206%。
上升时间1.74秒。
稳定时间约3秒。

对闭环系统进行仿真万博1manbetx

通过仿真带有调谐控制器参数的非线性Simulink模型，验证补偿器的设计。万博1manbetx

将调谐后的补偿器参数写入PID控制器块,在控制系统设计,在控制系统选项卡上,单击更新模块.

在Simuli万博1manbetxnk模型窗口中，运行模拟。

若要查看闭环仿真输出，请双击范围块。

非线性系统的闭环响应满足设计要求，上升时间小于5秒，超调量最小。