Simulink 中的 PID 控制器整定

本示例展示如何使用 PID Tuner 自动整定 PID 控制器模块。

PID Tuner 简介

PID Tuner 为 Simulink® PID 控制器模块提供了一种快速且广泛适用的单回路 PID 整定方法。使用此方法，您可以整定 PID 控制器参数，以实现具有期望响应时间的鲁棒设计。

使用 PID Tuner 的典型设计工作流程包括以下任务：

1. 启动 PID Tuner。启动时，软件会自动从 Simulink 模型计算线性被控对象模型并设计初始控制器。
2. 通过在两种设计模式下手动调整设计准则，在 PID Tuner 中整定控制器。整定器计算能够鲁棒稳定系统的 PID 参数。
3. 将设计好的控制器参数导出回 PID 控制器模块，并在 Simulink 中验证控制器性能。

打开模型

打开包含 PID 控制器模块的发动机转速控制模型，并花些时间熟悉它。

open_system(‘scdspeedctrlpidblock’)

设计概述

在本示例中，您将在发动机转速控制回路中设计一个 PI 控制器。设计目标是跟踪来自 Simulink 阶跃模块 scdspeedctrlpidblock/Speed Reference 的参考信号。设计要求是：

• 调节时间小于 5 秒
• 对阶跃参考输入的稳态误差为零。

在本示例中，您通过在 PID Tuner 中设计 PI 控制器 scdspeedctrl/PID Controller 来稳定反馈回路并实现良好的参考跟踪性能。

打开 PID Tuner

要启动 PID Tuner，请双击 PID 控制器模块以打开其模块对话框。在 主要 选项卡中，点击 整定。

初始 PID 设计

当 PID Tuner 启动时，软件会计算控制器所见的线性化被控对象模型。软件会自动识别被控对象的输入和输出，并使用当前工作点进行线性化。被控对象可以是任意阶次，并且可以包含时间延迟。

PID Tuner 会计算一个初始 PI 控制器，以在性能和鲁棒性之间实现合理的折衷。默认情况下，图中显示阶跃参考跟踪性能。

下图显示了具有初始设计的 PID Tuner 对话框：

显示 PID 参数

点击 显示参数 以查看控制器参数 P 和 I，以及一组性能和鲁棒性测量值。在本示例中，初始 PI 控制器设计给出的调节时间为 2 秒，满足要求。

在 PID Tuner 中调整 PID 设计

参考跟踪响应的超调量约为 7.5%。由于在达到调节时间限制之前我们仍有一些余地，您可以通过增加响应时间来减少超调量。将响应时间滑块向左移动以增加闭环响应时间。请注意，当您调整响应时间时，响应图以及控制器参数和性能测量值会更新。

下图显示了一个调整后的 PID 设计，其超调量为零，调节时间为 4 秒。设计出的控制器实际上变成了一个纯积分控制器。

完成具有性能折衷的 PID 设计

为了在将调节时间减少到 2 秒以下的同时实现零超调，您需要同时利用两个滑块。您需要使控制响应更快以减少调节时间，并增加鲁棒性以减少超调。例如，您可以将响应时间从 3.4 秒减少到 1.5 秒，并将鲁棒性从 0.6 增加到 0.72。

下图显示了具有这些设置的闭环响应：

将整定后的参数写入 PID 控制器模块

当您对线性被控对象模型上的控制器性能感到满意后，可以在非线性模型上测试设计。为此，请点击 PID Tuner 中的 更新模块。此操作会将参数写回 Simulink 模型中的 PID 控制器模块。

下图显示了更新后的 PID 控制器模块对话框：

完成的设计

下图显示了闭环系统的响应：

响应表明新控制器满足所有设计要求。

当 PID 控制器模块属于多回路设计任务时，您也可以使用 Control System Designer 来设计 PID 控制器模块。请参阅示例 Single Loop Feedback/Prefilter Compensator Design (Simulink Control Design)。

bdclose(‘scdspeedctrlpidblock’)

另请参阅

PID Tuner

相关主题

• Tune PID Controller to Favor Reference Tracking or Disturbance Rejection (Simulink Control Design)
• Analyze Design in PID Tuner (Simulink Control Design)

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