主要内容

开环PID自动箱

基于从开环实验估计的工厂频率响应，自动调谐PID增益实时估算

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  • 万博1manbetxSimulink控制设计

  • 开环PID自动箱块

描述

这开环PID自动箱块允许您实时调整PID控制器对抗物理植物。该块可以调谐PID控制器以实现指定的带宽和相位余量，而无需参数化工厂模型或初始控制器设计。如果您有代码生成产品，例如万博1manbetx®编码器™，您可以生成实现在硬件上实现调谐算法的代码，让您实时调整或使用Simulink来管理自动监视过程。万博1manbetx

如果在Simulink中有一个工厂模型，您还可以使用块获取万博1manbetx初始PID设计。这样做允许您预览工厂响应并在实时调整控制器之前调整PID自动调整的设置。

实现无模型调谐，开环PID自动箱堵塞：

  1. 将测试信号注入工厂的标称操作点，以实时收集工厂输入输出数据并估算频率响应。测试信号是在实验开始时测量的标称植物输入顶部的正弦和步进扰动信号的组合。如果工厂是反馈回路的一部分，则块在实验期间打开循环。

  2. 在实验结束时，基于近距离开环带宽附近的估计工厂频率响应调谐PID控制器参数。

  3. 使用调谐参数更新PID控制器块或自定义PID控制器，允许您实时验证闭环性能。

因为该块执行开环估计实验，所以不要将此块用于不稳定的对象或具有多个积分器的对象。

要使用算法，您不需要初始PID控制器设计。但是，您必须有一些方法可以将工厂达到频率响应估计实验的标称操作点。如果您有初始控制器设计，则可以使用闭环pid autotuner．有关闭环和开环PID自动调节的比较，请参阅何时使用PID自动调谐．

该块支持使用代码生成万博1manbetx万博1manbetxSimulink编码器，嵌入式编码器®,万博1manbetxSimulink PLC编码器™．它不支持使用HDL Co万博1manbetxder™的代码生成。

有关使用开环PID自动箱块，见：

有关PID自动监管的更多一般信息以及闭环和开环方法的比较，请参阅何时使用PID自动调谐．

港口

输入

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将块插入系统中，使得该端口接受来自源的控制信号。通常，此端口接受来自系统中PID控制器的信号。

数据类型：单身的|双倍的

将此端口连接到工厂输出。

数据类型：单身的|双倍的

要启动和停止自动调谐过程，请提供信号启动/停止端口。当信号的值发生变化时：

  • 负或零到正，实验开始

  • 实验停止阳性为消极或零

当实验未运行时，块通过信号不变你至U +ΔU.．在这种状态下，该块对工厂或控制器行为没有影响。

通常，您可以使用从0变为1的信号来开始实验，从1到0开始停止它。配置时要考虑的一些要点启动/停止信号包括：

  • 当工厂处于所需的平衡操作点时，开始实验。使用初始控制器将工厂驱动到操作点。如果您没有初始控制器（仅限打开循环调整），则可以使用连接到的源块你将工厂驱动到操作点。

  • 在实验期间避免对工厂的任何负载干扰。负载干扰可以扭曲工厂输出并降低频率响应估计的准确性。

  • 让实验已经足够长，以便算法收集足够的数据，以便在所有频率探测到的良好估计。有两种方法可以确定何时停止实验：

    • 提前确定实验持续时间。实验持续时间的保守估计为200 /ω.C用于闭环调谐，或100 /ω.C用于开环调谐，在哪里ω.C是你的目标带宽。

    • 观察信号％dirm.输出，并在信号稳定接近100％时停止实验。

  • 当你停止实验，块计算调谐PID增益和更新信号在PID收益端口。

您可以配置适合应用程序的任何逻辑，以控制实验的开始和停止时间。

数据类型：单身的|双倍的

属性的值目标带宽（RAD / SEC）范围。有关详细信息，请参阅该参数。

依赖性

启用此端口，在“调整”选项卡中，旁边目标带宽（RAD / SEC）中,选择使用外部来源．

数据类型：单身的|双倍的

属性的值目标相位裕度(度)范围。有关详细信息，请参阅该参数。

依赖性

启用此端口，在“调整”选项卡中，旁边目标相位裕度(度)中,选择使用外部来源．

数据类型：单身的|双倍的

属性的值正弦幅度范围。有关详细信息，请参阅该参数。

依赖性

在实验标签中启用此端口，旁边正弦幅度中,选择使用外部来源．

数据类型：单身的|双倍的

属性的值阶跃幅度范围。有关详细信息，请参阅该参数。

依赖性

在实验标签中启用此端口，旁边一步振幅中,选择使用外部来源．

数据类型：单身的|双倍的

输出

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将块插入系统中，使得该端口将输入信号送到您的工厂。

  • 实验运行时（启动/停止正面），该块将测试信号注入该端口的工厂。当实验开始加上实验扰动时，测试信号是u的值。如果您有任何饱和度或速率限制保护工厂，请从中馈送信号U +ΔU.进去。

  • 实验未运行时（启动/停止零或负），块通过信号不变你至U +ΔU.．

数据类型：单身的|双倍的

实验运行时（启动/停止阳性），该块将测试信号注入植物并测量植物反应y．它使用这些信号来估计围绕目标带宽的几个频率进行调谐的频率的频率响应。％dirm.表示完成植物频率响应的估计的接近。通常，在实验开始后，该值在大约90％上迅速上升至约90％，然后逐渐收敛到更高的值。在近100％接近时停止实验。

数据类型：单身的|双倍的

该4个元素总线信号包含调谐PID增益P.那一世那D.，以及滤波器系数N．这些值对应于P.那一世那D.,N表达中的参数形式范围。最初，值分别为0,0,0和100。块更新实验结束时的值。此总线信号始终有四个元素，即使您未调整PIDF控制器。

如果您有与块关联的PID控制器，则可以在实验结束后使用这些值更新该控制器。为此，请在“块”选项卡中，单击更新PID块．

数据类型：单身的|双倍的

该端口输出由调谐控制器实现的估计相位裕度，以度为单位。调谐实验结束时，块更新此值。估计的相余量由角度计算G（jω.C）C（jω.C）， 在哪里G是估计的植物，C是调谐控制器，和ω.C是交叉频率（带宽）。估计的阶段边际可能与目标阶段边际不同目标相位裕度(度)范围。它是调谐系统实现的稳健性和稳定性的指标。

  • 通常，估计的相位裕度靠近目标阶段边际。一般来说，值越大，强大的是调谐系统，而且存在较少的过冲。

  • 负阶段边际表示闭环系统可能是不稳定的。

依赖性

要启用此端口，请在“调整”选项卡中，选择调谐控制器实现的输出估计阶段裕度．

该端口输出由实验估计的频率响应数据。最初，价值FRD.[0,0,0,0]是。在实验期间，块在频率下注射信号[1/3,1,3,10]ω.C， 在哪里ω.C是目标带宽。在实验期间的每个采样时间，块更新FRD.通过分别在这些频率中的每个频率下包含复杂频率响应的矢量。您可以使用响应的进度作为替代方案％dirm.检查估计的收敛性。当实验停止时，块更新FRD.使用用于计算PID增益的最终估计频率响应。

依赖性

要启用此端口，请在“实验”选项卡中选择接近带宽的植物频率响应．

如果你选择使用步骤信号估计DC增益在实验标签中，块通过在注射的扰动中包括步进信号来估计工厂的DC增益。当实验停止时，块使用估计的直流增益值更新此端口。

依赖性

要启用此端口，请在“实验”选项卡中选择植物直流增益．

该端口输出一个包含植物输入(U +ΔU.）和植物产出（y）当实验开始时。这些值是工厂输入和输出在块执行实验的标称操作点。

依赖性

要启用此端口，请在“实验”选项卡中选择工厂标称输入和输出．

参数

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调整选项卡

指定系统中PID控制器的类型。控制器类型表示控制器中存在的操作。以下控制器类型可用于PID自动调谐：

  • P.——比例只

  • 一世——积分只

  • π-比例积分

  • PD- 比例和衍生

  • PDF.-比例和导数与导数滤波器

  • PID- 比例，积分和衍生

  • PIDF.- 具有导数滤波器的比例，积分和衍生物

当您更新PID控制器块或自定义PID控制器调谐参数值，确保控制器类型匹配。

可调：是的

程序使用

块参数:Pidtype.
类型：字符向量
价值观：'P'|'一世'|'pi'|'PD'|'pdf'|'PID'|'pidf'
默认：'pi'

指定控制器表单。控制器的形式决定了PID系数的解释P.那一世那D.,N．

  • 平行- 在平行形式，离散时间PIDF控制器的传递函数是：

    C = P. + 一世 F 一世 （ Z. ） + D. [ N 1 + N F D. （ Z. ） ] 那

    在哪里F一世（Z.）和FD.（Z.）是集成商和过滤式公式（见积分方法和过滤方法）.连续时间并行形式PIDF控制器的传递函数为:

    C = P. + 一世 （ 1 S. ） + D. （ N S. S. + N ） ．

    其他控制器操作要设置P.那一世， 或者D.零。

  • 理想的- 在理想的形式，离散时间PIDF控制器的传递函数是：

    C = P. [ 1 + 一世 F 一世 （ Z. ） + D. （ N 1 + N F D. （ Z. ） ） ] ．

    连续时间理想形式PIDF控制器的传递函数是：

    C = P. [ 1 + 一世 （ 1 S. ） + D. （ N S. S. + N ） ] ．

    其他控制器操作要设置D.零或设置，一世至INF.．(在理想状态下，控制器必须具有比例动作。)

当您更新PID控制器块或自定义PID控制器具有调整参数值，请确保控制器窗体匹配。

可调：是的

程序使用

块参数:Pidform.
类型：字符向量
价值观：“平行”|'理想的'
默认：“平行”

指定PID控制器是离散时间还是连续时间控制器。

  • 对于离散时间，您必须指定您的PID控制器的采样时间使用控制器采样时间（秒）范围。

  • 连续时间，您还必须使用使用的PID自动调节实验指定采样时间实验采样时间（秒）范围。

程序使用

块参数:时光
类型：字符向量
价值观：'离散时间'|'连续时间'
默认：'离散时间'

以秒为单位指定PID控制器的采样时间。这个值还设置了块执行的实验的采样时间。

为了执行PID调谐，块测量频率响应信息，达到目标带宽的频率为10倍。为确保此频率小于奈奎斯特频率，目标带宽，ω.C,必须满足ω.CT.S.≤0.3，在哪里T.S.ω.C是您使用的控制器采样时间控制器采样时间（秒）范围。

当您更新PID控制器块或自定义PID控制器与调谐参数值，确保控制器采样时间匹配。

尖端

如果要在应用程序中使用不同的示例时间运行已部署的块，请将此参数设置为-1并将块放入a中触发子系统．然后，在所需的采样时间触发子系统。如果您不打算在部署后更改采样时间，请指定固定和有限的示例时间。

依赖性

启用此参数，设置时域至离散时间．

程序使用

块参数:独裁
类型：标量子
价值正标量|-1
默认：0．1

即使您调整连续时间控制器，您必须指定由块执行的实验的采样时间。通常，不建议将连续时间控制器调整用于针对物理植物的PID自动传递。如果您想在植物的模拟模型中连续调谐，请使用快速实验采样时间，例如0.02 /万博1manbetxω.C．

依赖性

当时域是连续时间．

程序使用

块参数:持续
类型：正标量
默认：0.02

在控制器中指定积分器项的离散积分公式。在离散时间，block假定的PID控制器传递函数为:

C = P. + 一世 F 一世 （ Z. ） + D. [ N 1 + N F D. （ Z. ） ] 那

以平行形式或理想形式，

C = P. [ 1 + 一世 F 一世 （ Z. ） + D. （ N 1 + N F D. （ Z. ） ） ] ．

对于控制器采样时间T.S.， 这积分方法参数确定公式F一世如下：

积分方法 F一世
前进欧拉

T. S. Z. − 1

落后的欧拉

T. S. Z. Z. − 1

梯形

T. S. 2 Z. + 1 Z. − 1

有关每种方法的相对优势的更多信息，请参阅离散PID控制器块引用页面。

当您更新PID控制器块或自定义PID控制器具有调谐参数值，请确保Integrator方法匹配。

可调：是的

依赖性

当时域是离散时间并且控制器包括整体动作。

程序使用

块参数:IntegratorFormula.
类型：字符向量
价值观：'转发欧拉'|'落后的欧拉'|'梯形'
默认：'转发欧拉'

在控制器中指定微分滤波器项的离散积分公式。在离散时间，block假定的PID控制器传递函数为:

C = P. + 一世 F 一世 （ Z. ） + D. [ N 1 + N F D. （ Z. ） ] 那

以平行形式或理想形式，

C = P. [ 1 + 一世 F 一世 （ Z. ） + D. （ N 1 + N F D. （ Z. ） ） ] ．

对于控制器采样时间T.S.， 这过滤方法参数确定公式FD.如下：

过滤方法 FD.
前进欧拉

T. S. Z. − 1

落后的欧拉

T. S. Z. Z. − 1

梯形

T. S. 2 Z. + 1 Z. − 1

有关每种方法的相对优势的更多信息，请参阅离散PID控制器块引用页面。

当您更新PID控制器块或自定义PID控制器具有调谐参数值，请确保过滤方法匹配。

可调：是的

依赖性

当时域是离散时间并且控制器包括衍生滤波器项。

程序使用

块参数:滤清器
类型：字符向量
价值观：'转发欧拉'|'落后的欧拉'|'梯形'
默认：'转发欧拉'

在RAD / SEC中指定的目标带宽是0-DB增益转换频率的目标值调谐开环响应CP， 在哪里P.是植物反应，还有C是控制器响应。该交叉频率大致设置控制带宽。为了崛起τ.秒，目标带宽很可能是2/τ.rad / sec。

为了执行PID调谐，AutoTuner阻止频率响应信息达到目标带宽的10倍的频率。为确保此频率小于奈奎斯特频率，目标带宽，ω.C,必须满足ω.CT.S.≤0.3，在哪里T.S.是您使用的控制器采样时间控制器采样时间（秒）范围。由于这种情况，您可以执行最快的上升时间约为1.67T.S.．如果这个上升时间不符合您的设计目标，请考虑减少T.S.．

通过输入端口提供目标带宽，请选择使用外部来源．

程序使用

块参数:带宽
类型：正标量
默认：1

为交叉频率指定调谐开环响应的目标最小相位余量。目标阶段边缘反映了调谐系统的所需稳健性。通常，选择约45°-60°范围内的值。一般来说，更高的相位保证金改善了过冲，但可以限制响应速度。默认值60°，往往会平衡性能和稳健性，超出约5-10％，这取决于您植物的特性。

通过输入端口提供目标阶段边距，选择使用外部来源．

可调：是的

程序使用

块参数:targetpm.
类型：标量子
价值观：0-90
默认：60.
实验标签

在调谐实验期间，块将正弦信号注入频率的植物中[1/3,1,3,10]ω.C， 在哪里ω.C是调谐的目标带宽。用正弦幅度指定每个注入信号的振幅。指定一个:

  • 在每个频率注入相同振幅的标量值

  • 长度为4的矢量，在每个处指定不同的振幅[1/3,1,3,10]ω.C

在具有典型目标带宽的典型植物中，实验频率下植物响应的大小变化不大。在这种情况下，可以使用标量值在所有频率上施加相同幅度的扰动。但是，如果您知道响应在频率范围内急剧衰减，请考虑降低低频输入的幅值，增加高频输入的幅值。当所有植物的反应都有相当的量级时，它在数值上更适合于估计实验。

扰动幅度必须是：

  • 足够大，扰动克服了工厂执行器中的任何死区，并产生高于噪声水平的响应

  • 足够小，以保持植物在标称工作点附近的近似线性区域内运行，并避免饱和植物输入或输出

在实验中，正弦信号叠加（如果有的话，如果有的话，如果有的话，则在开环调谐的情况下）。因此，扰动可以至少与所有幅度的总和一样大。因此，为了获得幅度的适当值，考虑：

  • 执行器限制。确保最大可能的扰动位于植物执行器的范围内。饱和致动器可以将误差引入估计的频率响应。

  • 植物响应响应于在标称操作点进行调谐时输入的给定执行器输入的程度。例如，假设您正在调整发动机速度控制中使用的PID控制器。您已经确定，在目标带宽周围的频率下，油门角度的1°变化导致发动机速度的约200rpm。要进一步假设为了保持线性性能，速度不得从标称操作点偏离超过100 rpm。在这种情况下，选择幅度以确保扰动信号不大于0.5（假设值在致动器限制内）。

通过输入端口提供正弦幅度，选择使用外部来源．

可调：是的

程序使用

块参数:安瓿
类型：标量，长度矢量矢量
默认：1

选择该选项时，实验包括估计工厂DC增益。通过将步骤信号注入工厂来执行该估计。

警告

如果您的工厂有一个集成器，请清除此选项。对于具有多个集成商或不稳定杆的植物，请勿使用开环PID自动箱堵塞。

可调：是的

程序使用

块参数:估计
类型：字符向量
价值观：'离开'|'上'
默认：'上'

如果使用步骤信号估计DC增益选择，块通过将步骤信号注入工厂来估计DC增益。使用此参数设置信号的幅度。选择步长的注意事项与指定的考虑相同正弦幅度．

通过输入端口提供步骤幅度，选择使用外部来源．

可调：是的

依赖性

此参数已启用使用步骤信号估计DC增益被选中。

程序使用

块参数:ampstep.
类型：标量子
默认：1
块选项卡

该块包含两个模块，一个模块执行实时频率响应估计，以及使用产生的估计响应来调整PID增益的模块。运行在外部仿真模式下包含块的S万博1manbetximulink模型时，默认情况下会部署两个模块。您只能通过部署估计模块来在目标硬件上保存内存（请参阅在Simulink中控制实时PID自动调谐万博1manbetx）.在这种情况下，调谐算法在Simulink主计算机上而不是目标硬件运行。万博1manbetx选择此选项后，已部署的算法使用大约第三个内存，就像选项清除时一样。

PID增益计算比频响估计需要更多的计算负载。对于快速的控制器采样时间，一些硬件可能不会在一个执行周期内完成增益计算。因此，当使用计算能力有限的硬件时，选择这个选项可以让您用快速采样时间调整PID控制器。

此外，当您启用此选项时，在调谐实验结束时可能存在几个采样周期的延迟，并且当新的PID增益到达时PID收益输出端口。在向控制器推出收益之前，请先确认更改PID收益输出端口而不是使用启动/停止信号作为更新的触发器。

如果您打算在不使用外部仿真模式的情况下部署块并执行PID调整，请不要选择此选项。

警告

当您使用此选项时，必须对模型进行配置，使数字块参数在生成的代码中是可调的，而不是内联的。指定可调参数:

  • 在模型编辑器中：在配置参数,在代码生成>优化， 放默认参数行为至可调．

  • 在命令行：使用set_param（mdl，'defaultparameterbehavior'，'可调'）．

程序使用

块参数:deploytiuningmodule.
类型：字符向量
价值观：'离开'|'上'
默认：'离开'

如果使用，请选择此参数万博1manbetxSimulink PLC编码器为AutoTuner块生成代码。清除与任何其他MATHWORKS的代码生成参数®代码生成产品。

选择此参数仅影响内部块配置，以便兼容万博1manbetxSimulink PLC编码器．该参数对生成的代码没有操作效果。

根据仿真环境或硬件要求指定浮点精度。

程序使用

块参数:blockdattype.
类型：字符向量
价值观：'双倍的'|'单身的'
默认：'双倍的'

在某些条件下，AutoTuner块可以将调谐增长写入标准或自定义PID控制器块。表示目标PID控制器是连接到的块你AutoTuner块的端口，选择此选项。指定未连接的PID控制器你，清除此选项。

要将AutoTuner块写入调谐增益到模型中的任何位置，目标块必须是：

  • 一种PID控制器或离散PID控制器堵塞。

  • 一个屏蔽子系统，其中PID系数是命名的屏蔽参数P.那一世那D.,N或者控制器中存在这些参数的任何子集。例如，如果使用自定义PI控制器，则只需要屏蔽参数P.和一世．

在某些条件下，AutoTuner块可以将调谐增长写入标准或自定义PID控制器块。使用此参数指定目标PID控制器的路径。

要将AutoTuner块写入调谐增益到模型中的任何位置，目标块必须是：

  • 一种PID控制器或离散PID控制器堵塞。

  • 一个屏蔽子系统，其中PID系数是命名的屏蔽参数P.那一世那D.,N或者控制器中存在任何这些参数的任何子集

依赖性

此参数已启用单击“更新PID块”将调谐增长写入连接到“U”端口的PID块被选中。

块不会自动将调优的增益推送到目标PID块。如果你的PID控制器块符合指定PID块路径参数说明，调整后，单击此按钮可将调谐增长传输到块。

您可以在仿真运行时更新PID块，包括在外部模式下运行时。这样做可用于立即验证调谐的PID增益。在模拟期间的任何时间，您可以更改参数，再次启动实验，然后将新的调谐增长推到PID块。然后，您可以继续运行模型并观察植物的行为。

当您单击此按钮时，该块将在MATLAB中创建一个结构®包含实验和调整结果的工作区。这种结构，在线专用营销资料，包含以下字段:

  • P.那一世那D.那N- 调整PID收益。该结构包含您正在调整的控制器类型所必需的任何字段。例如，如果要调整PI控制器，则结构包含P.和一世， 但不是D.和N．

  • 目标带宽- 您在中指定的值目标带宽（RAD / SEC）块参数。

  • targetphasemargin.- 您在中指定的值目标相位裕度(度)块参数。

  • 估计过照程- 调谐系统实现的估计阶段裕度。

  • 控制器- 调谐的PID控制器，返回ASpid（以并行形式）或pidstd(理想形式)模型对象。

  • 植物-估计的工厂，返回作为一个FRD.模型对象。这FRD.包含在实验频率下获得的响应数据[1/3,1,3,10]ω.C．

  • plantnominal.-实验开始时，设备在标称运行点的输入和输出，指定为具有字段的结构你（输入）和y（输出）。

  • PlantDCGain- IF的系统中估计的DC增益，如果使用步骤信号估计DC增益在调优期间选择。

您可以在仿真运行时导出到MATLAB工作空间，包括在外部模式下运行时。

模型例子

使用Open-Loop PID AutoTuner块实时调谐PID控制器

使用Open-Loop PID AutoTuner块实时调谐PID控制器

通过在植物输入中注入正弦扰动信号并在开环实验期间测量植物输出来实时调谐单环PID控制器。
打开脚本

扩展能力

C / C ++代码生成
使用Simulink®Coder™生成C和C ++代码。万博1manbetx

PLC代码生成
使用Simulink®PLC Coder™生成结构化文本代码。万博1manbetx

也可以看看

话题

在R2017B中介绍

万博1manbetxSimulink控制设计文档

万博1manbetx

尝试matlab，sim万博1manbetxulink等产品s manbetx 845

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