Simulink中PID控制器模块的使用与调优方法详解
Simulink中PID控制器模块的使用与调优方法详解
PID控制作为工业上最常用的控制技术，以其比例-积分-微分控制原理，在调节和控制各种工业过程方面发挥着重要作用。然而，传统的PID调整规则具有一定的局限性，例如Ziegler-Nichols方法，它需要一个稳定的第一订单加上死区时间线性时不变（LTI）被控对象模型。这导致许多工程师在PID调优过程中面临挑战。
在Simulink和Simulink控制设计中的新PID调谐方法，共同应对这些挑战。通过采用新的PID控制器模块，我们可以更好地模拟和控制直流电机的转速。在这个例子中，使用了电压驱动直流电机来跟踪所需的轴转速信号。同时，还模拟了转矩扰动和传感器噪声，以更准确地反映实际情况。
PID控制器是离散时间控制器以0.02秒的速度运行（红色表示模型中的采样时间）。在PID控制器模块的对话框中，上半部分指定了PID控制器的基本配置，包括类型（PID，PI、PD、P或I）、时域、积分方法和采样时间。下半部分则指定了PID控制器的形式和增益，并提供了关于模块及其所有参数的详细信息。
PID调谐
调整PID控制器时，可以通过点击“调Tune......”按钮启动PID调谐器。该调谐器会自动对模型进行线性化，并基于线性化被控对象模型确定PID控制器增益，以实现合理的性能和鲁棒性。
灰线表示当前在“块”对话框中定义的增益值的系统阶跃响应，蓝线则显示PID调谐器建议的增益值的系统响应。可以简单地接受建议的设计，然后运行闭环Simulink模型进行检查结果。在模拟中，命令在1秒时从0rpm到2rpm的步进变化，并在7秒内降至-2rpm。结果显示良好跟踪，具有零稳态误差、快速上升时间、低过冲和良好的跟踪扭矩扰动抑制（扭矩扰动被建模为阶跃变化从0到0.2牛顿米，5秒）。
如果系统响应不符合要求，可以通过交互式调整控制器的速度，使用PID调谐器GUI底部的滑块。
集成防缠绕保护
在考虑输出饱和限制的场景中，可以使用PID控制器模块对话框的“输出饱和度”选项卡来指定这些限制。例如，假设没有扭矩扰动，并且馈送到直流电机的电压幅度不能超过10伏。
在第一步变化时，在1秒时，来自控制器的电压信号会在10伏饱和。当所需速度在7秒时下降，电压不会立即降低，并且在10伏特下停留近2秒。这是PID控制器中的积分器缠绕，导致跟踪速度命令。通过启用积分器防清盘可以修复这一问题。
使用积分器重新运行仿真启用防缠绕后，可以看到控制器仍然无法执行命令2rpm的速度值，因为它没有足够的权限。但是，当速度被命令为-2rpm时，控制器能够快速响应请求的速度。
正如所看到的，新的PID调谐方法和新的PID控制器模块帮助快速调整PID控制器，并创建了一个解决输出饱和和积分器上链问题的离散时间设计问题。