使用开环PID自动调谐模块实时调整PID控制器

开放脚本

这个例子展示了如何使用开环PID自动调谐块调整PI控制器的发动机转速控制系统在仿真和实时。

开环PID自动调谐块允许您调整一个单回路PID控制器在实时。它进行了开环实验，向被控对象注入扰动信号，并根据被控对象在期望带宽附近的频率响应估计计算PID增益。

开环PID自动调谐块在实时应用中支持两种典型的PID调谐方案。万博1manbetx

在没有Simulink®的情况下，将block部署到硬件上，并在一个独立的实时应用程序中使用它。万博1manbetx
在硬件上部署块，但在Simulink中使用外部模式监视和管理实时调优过程。万博1manbetx外部模式允许在主机上运行的Simulink框图与在硬件上运行的生成代码之间进行通信。万博1manbetx

本示例重点介绍第二种情况，其中使用开环PID自动调谐块使用外部模式实时调整发动机转速控制系统。

Simu万博1manbetxlink模型包含一个PID块、一个开环PID自动调谐块和一个引擎模型。

mdl =“scdspeedctrlOnlinePIDTuning”; 开放式系统（mdl）

PI控制器的初始增益为P=0.01和I=0.01，通过“P”和“I”输入从外部提供给PID模块。具有外部P和I增益允许您在开环PID自动调谐块计算新增益后更改它们。

开环PID自动调谐块插入PID块和发动机模型之间。启动/停止信号用于启动和停止开环实验。当未运行任何实验时，开环PID自动调谐块的行为类似于单位增益块，“u”信号直接传递到“u+Δu”。当实验结束时，模块调谐PID增益并在“PID增益”端口输出它们。

在对物理设备实时使用开环PID自动调谐模块时，有几个重要的注意事项。

该装置必须是渐近稳定的，因为在调谐过程中进行了开环试验。如果您的工厂只有一个积分器，您仍然可以通过选择不估计工厂直流增益来使用该模块。但是，在这两种情况下，您必须在调整过程中密切监控设备的行为，如果设备过于接近不理想的操作条件，则必须立即进行干预。
为了帮助更准确地实时估计电厂频率响应，在调谐过程中应将发生的负载扰动降至最低。该模块期望电厂输出仅为对注入扰动信号的响应，负载扰动会使该输出失真。
PID块中的“跟踪模式”（TR输入端口）打开，这使PID块能够在整定过程中跟踪实际电厂输入“u+Δu”。当回路闭合且PID块在调整过程完成后恢复控制时，应始终使用此功能提供无扰动传输。

将开环PID自动调谐块与电厂模型和PID块正确连接后，打开“块”对话框并指定调谐和实验设置。

在调谐选项卡中，有两个主要的调优设置。

在实验选项卡中，有两个主要的实验设置。

正弦振幅:指定注入正弦波的振幅。在这个例子中，所有四个正弦波都选择0.1，是标称植物输入9的一小部分。在调谐过程中，工厂输出在1900和2100 rpm之间变化，这是大约+/- 5%的名义工厂输出2000。目标是保持电站运行接近标称工作点，以避免激发非线性电站行为。

阶跃振幅:指定注入阶跃信号的振幅。在本例中，也选择0.1。如果设备只有一个积分器，就不能估计直流增益。在本例中，清除用阶跃信号估计直流增益参数。因此，没有阶跃信号被注入植物。

如果在Simulink中构建了电厂模型，建议在外部模式下使用该模块进行万博1manbetx实时调整之前，根据正常模式下的电厂模型模拟开环PID自动调谐模块。模拟可帮助您识别信号连接和块设置中的问题，以便在生成代码之前对其进行调整。

sim (mdl);

在本例中，发动机转速参考信号从2000转至3000转/分，然后在前20秒内回到2000转/分。初始增益P=0.01和I=0.01在瞬态中引起强烈振荡，必须重新调谐。

在20秒时，设备以2000 rpm的标称工作点运行，并开始在线PID调节。实验持续时间为50秒，因为保守的指导原则表明在线频率响应估计需要100/带宽秒才能收敛。

当PID调优在70秒停止时，新的增益P = 0.0026和I = 0.0065在“PID增益”输出端口立即可用，并发送到PID块的外部P和I端口，覆盖原来的增益。当闭环和PID块恢复控制时，几乎没有暂态碰撞。

发动机转速参考信号从2000转到3000转，然后在80到100秒之间回到2000转。新的PI增益提供了更好的闭环响应。

为了在外部模式中针对物理引擎调整PI控制器，您可以用硬件接口块替换Simulink模型中的引擎模型部分，该硬件接口块提供的转速测量值为“y”，向执行器发送节气门角度为“u”。万博1manbetx

例如，假设PI控制器在Arduino®到期板上运行，并通过万博1manbetx串行端口与物理引擎通信，则以下Simulink图配置为在外部模式下进行调谐。

为了使原始模型在外部模式下工作，我们(按顺序)对原始Simulink模型进行了以下更改。万博1manbetx

拥有一台运行Simulink并通过USB连接与Arduino 万博1manbetxDUE板通信的主机。
安装Arduin万博1manbet万博1manbetxxo硬件软件的Simulink支持包。如果您的硬件不同，则必须安装不同的硬件支持包。万博1manbetx
在“配置参数”对话框中解算器窗格中，选择“固定步长”求解器类型。在硬件实现窗格中，选择“Arduino DUE”硬件板。
用两个串行接口块替换原始型号中的发动机型号部分。Arduino板上运行的开环PID自动调谐块实时收集来自串行接收块（来自传感器）的设备输出，并使用串行传输块（至致动器）将实验信号发送至发动机。
为了在实时操作中获得更大的灵活性，可以通过翻转手动“调谐开关”来启动和停止调谐过程，而不是基于模拟时钟。同样，通过翻转“增益开关”更新PI增益，并通过翻转“Ref开关”更改参考信号。
在Simulink模型中选择“外部模式”，并将模拟时间设置为万博1manbetx“无限”。

运行模拟。首先，Simulink为整个模型生成代码，并万博1manbetx将其下载到Arduino到期板。程序开始在电路板上运行后，您可以实时监控示波器的设备输入和输出。当设备达到2000 rpm的标称工作点时，使用三个手动开关调整、更新和验证控制器。