整定PID控制器

在实时编辑器中调整LTI工厂的PID控制器

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描述

的整定PID控制器Live Editor任务可以让您交互式地调整一个PID控制器的工厂。任务自动生成MATLAB^®为您的活动脚本编写代码。有关实时编辑器任务的详细信息，请参见在活动脚本中添加交互式任务．

整定PID控制器自动调整PID控制器的增益，以实现性能和鲁棒性之间的平衡。您可以指定控制器类型，例如PI、PD或PID，带或不带导数滤波器。默认情况下,整定PID控制器假设以下标准的单元反馈控制配置。

你也可以使用整定PID控制器为本图的反馈配置设计一个2-DOF PID控制器:

整定PID控制器生成分析图，让您检查控制器在时域和频域的性能。您可以交互地改进控制器的性能，以调整响应时间、环路带宽或相位裕度，或有利于设置点跟踪或干扰抑制。

首先是整定PID控制器任务中，选择工厂模型并指定要设计的控制器类型。用滑块进行实验，观察滑块对闭环系统响应的影响。有关示例，请参见实时编辑器中的PID控制器设计．

打开任务

要添加整定PID控制器任务到MATLAB编辑器中的实时脚本:

在住编辑器选项卡上,选择任务>整定PID控制器．
在脚本中的代码块中，键入相关的关键字，例如调优或PID．选择整定PID控制器从建议的命令补全。

例子

参数

设备和控制器设置

`植物`-现有工厂
线性时不变模型

选择为其设计控制器的工厂。该列表包含MATLAB工作区中出现的连续时间或离散时间SISO LTI模型，例如:

状态(党卫军)，传递函数(特遣部队)和零极增益(zpk)模型。
频率响应数据(的朋友)模型。对于这样的电站，只有频域设计目标和响应图是可用的。
广义状态空间(一族)或不确定状态空间(号航空母舰)模型。对于这样的模型，整定PID控制器使用电流，标称值的可调和不确定组件。
识别的模型，例如中的难点而且idtf模型。

`形式`-控制器表单
`“平行”`|`“标准”`

指定控制器形式。这两种形式的不同之处是用于表示比例、积分和导数作用的参数以及导数项上的过滤器。有关并行表单和标准表单的信息，请参见:

`自由度`—指定1-DOF或2-DOF控制器
`1自由度`(默认)|`2自由度`

默认情况下,整定PID控制器设计了一种单自由度控制器。这样的控制器最多有四个系数(见比例积分微分(PID)控制器)．

你可以设计一个二自由度(2-DOF) PID控制器。这种控制器包括比例项和导数项的设定值加权。二自由度PID控制器能够快速抑制扰动，且不显著增加设定值跟踪的超调量。也可以使用2-DOF PID控制器来减轻参考信号变化对控制信号的影响。有关更多信息，请参见二自由度PID控制器．

`控制器类型`—指定控制器拥有的术语
`“π”`(默认)|`“PIDF”`|`“PID2”`|……

控制器类型指定PID控制器中存在哪些项。例如，PI控制器有一个比例项和一个积分项。PDF控制器具有比例项和滤波导数项。可选控制器类型请参见PID控制器整定类型．

系统性能目标

`域`—指定性能目标的域
`“时间”`(默认)|`“频率”`

选择任务显示目标性能参数的域。

时间-使用滑块设置响应时间和瞬态行为方面的性能目标。时域调优不适用于频响数据工厂，例如的朋友植物。
频率—使用滑块设置环路带宽和相位裕度方面的性能目标。

域的选择不会影响底层控制器的设计或结果。您可以使用对您更方便或更适合您的应用程序的任何一种。例如，如果你的设计目标包括一个目标上升时间，你可能会发现在时域工作很方便。如果你有一个目标环路带宽，你可能更喜欢在频域工作。在这两个领域中，都存在参考跟踪和干扰抑制性能之间的权衡。

`响应时间，瞬态行为`-时域性能目标
滑块

当你设置域来时间，使用这些滑块调整控制器的响应性和鲁棒性。

使用响应时间滑块，使控制系统的闭环响应更快或更慢。若要更改滑块的限制，请将滑块向左或向右拖动。若要将响应时间减少或增加10倍，请单击或．
使用瞬态行为滑块，使控制器更积极的干扰抑制(较小的值)或更健壮的植物不确定性(较大的值)。

时域调优不适用于频响数据工厂，例如的朋友植物。

`带宽，相位裕度`-频域性能目标
滑块

当你设置域来频率，使用这些滑块调整控制系统的带宽和相位裕度。

使用带宽滑块使控制系统闭环响应变快或变慢(响应时间为2/w_c,在那里w_c是带宽)。若要更改滑块的限制，请将滑块向左或向右拖动。单击，带宽增加或减少10倍或．
对于离散时间控制器，整定PID控制器将最大带宽限制为π/ Ts,在那里Ts为所选植物的取样时间。
使用阶段保证金滑块，使控制器更积极的干扰抑制(较小的值)或更健壮的植物不确定性(较大的值)。

可选参数

`设计重点`-闭环性能目标青睐
`平衡`(默认)|`参考跟踪`|`输入干扰抑制`

对于给定的目标相位裕度，整定PID控制器选择一种控制器设计，平衡两个指标的性能，参考跟踪和干扰抑制。当你改变设计重点选项，整定算法试图调整PID增益，以支持参考跟踪或干扰抑制，同时实现相同的目标相位裕度。

的设计重点选项:

平衡-对于给定的鲁棒性，调整控制器以平衡参考跟踪和干扰抑制。

参考跟踪-如果可能的话，调整控制器以支持参考跟踪。

输入干扰抑制-如果可能，调整控制器以支持干扰抑制。

系统中可调参数越多，PID算法就越有可能在不牺牲鲁棒性的情况下实现预期的设计重点。例如，设置设计焦点对于PID控制器比P或PI控制器更有效。

在所有情况下，您可以对系统的性能进行多少微调，很大程度上取决于您的工厂的特性。对于一些植物，改变设计重点期权可能影响很小或没有影响。

`积分公式，滤波公式`-离散积分和导数项的公式
`向前欧拉`(默认)|`向后欧拉`|`梯形`

对于离散PID控制器，有不同的方法来实现积分器和滤波器项。例如，对于一个并行形式的离散PID控制器，控制器传递函数为

$C ＝ K_{p} + K_{我} 我 F （ z ） + \frac{K_{d}}{T_{f} + D F （ z ）} ．$

如果（z),DF（z)是离散积分公式对于积分器和导数滤波器。(看看如何如果（z),DF（z)影响其他控制器形式，包括标准形式和2-DOF控制器，见离散时间比例积分微分(PID)控制器)。

使用积分公式而且滤波器的公式的值如果（z),DF（z),分别。

向前欧拉- - - - - -如果（z)或DF（z) = $\frac{T_{年代}}{z - 1} ．$
此公式适用于小样本时间，其中奈奎斯特极限与控制器带宽相比较大。对于更大的样本时间，向前欧拉公式会导致不稳定，即使你离散一个连续时间稳定的系统。
向后欧拉- - - - - -如果（z)或DF（z) = $\frac{T_{年代} z}{z - 1} ．$
的一个优势向后欧拉用这个公式离散一个稳定的连续时间系统总是能得到一个稳定的离散时间结果。
梯形- - - - - -如果（z)或DF（z) = $\frac{T_{年代}}{2} \frac{z + 1}{z - 1} ．$
的一个优势梯形公式表明，用这种方法离散一个稳定的连续时间系统总是能得到一个稳定的离散时间结果。在所有可用的离散积分公式中，梯形使离散系统的频域特性与相应的连续时间系统的频域特性最接近。

显示

`输出图`-生成系统响应图
`Step Plot:参考跟踪`(默认)|`步骤图:输入干扰抑制`|`博德地块:开环`|……

指定一个响应图，用于观察PID控制器对系统性能的影响。您可以为不同的系统响应指定时域阶跃响应图或频域博德图。代码整定PID控制器生成在您的现场脚本包括代码，以生成您选择的情节。

系统可用响应

对于1-DOF PID控制器类型，如PI, PIDF和PDF，该软件基于以下单回路控制架构计算系统响应，其中G你指定的工厂和C为PID控制器:

对于2-DOF PID控制器类型，如PI2, PIDF2和I-PD，该软件基于以下架构计算响应:

系统响应基于2自由度PID控制器的分解，C，转化为设定点分量Cr还有一个反馈组件Cy，详见二自由度PID控制器．

下表总结了分析图的可用响应。(对于频率响应数据工厂，例如的朋友模型、时域响应图不可用。)

响应	绘制系统(1-DOF)	绘制系统(二自由度)	描述
`植物`	G	G	植物响应。用于检测植物动态。
`开环`	GC	gc_y	开环控制器-设备系统的响应。用于频域设计。当您的设计规范包括鲁棒性标准，如开环增益裕量和相位裕量时使用。
`参考跟踪`	$\frac{G C}{1 + G C}$ (从r来y）	$\frac{G C_{r}}{1 - G C_{y}}$ (从r来y）	闭环系统对设定值阶跃变化的响应。当您的设计规范包括设定值跟踪时使用。
`控制器工作`	$\frac{C}{1 + G C}$ (从r来u）	$\frac{C_{r}}{1 - G C_{y}}$ (从r来u）	闭环控制器输出对设定值步进变化的响应。当您的设计受到实际限制时使用，例如控制器饱和度。
`输入干扰抑制`	$\frac{G}{1 + G C}$ (从d₁来y）	$\frac{G}{1 - G C_{y}}$ (从d₁来y）	闭环系统对负载扰动(设备输入的阶跃扰动)的响应。当您的设计规范包括输入干扰抑制时使用。
`输出干扰抑制`	$\frac{1}{1 + G C}$ (从d₂来y）	$\frac{1}{1 - G C_{y}}$ (从d₂来y）	装置输出阶跃扰动的闭环系统响应。当您想分析建模错误的敏感性时使用。

`系统响应特性`-显示闭环响应的数值特性
`从`(默认)|`在`

选择此选项可生成显示闭环或开环响应的数值特征。

当输出图是一个阶梯图，显示包括上升时间、稳定时间和超调百分比等特征。这些值总是来自控制系统输入的闭环阶跃响应r输出y，不管你为图选择哪个具体的步骤响应。整定PID控制器使用stepinfo计算阶跃响应特性。有关如何解释这些值的详细信息，请参见stepinfo参考页面。
当输出图为波德图，显示包括增益裕度和相位裕度等特性。这些值总是开环系统响应的值GC，不管你选择哪个特定的博德地块。整定PID控制器使用allmargin计算频率响应特性。有关如何解释这些值的详细信息，请参见allmargin参考页面。

`基线控制器`—控制器，用于性能比较
`没有一个`(默认)|`从工作区选择`

当您想在MATLAB工作空间中比较调优控制器与另一个PID控制器的性能时，请使用此选项。要这样做，请选择从工作区选择．出现另一个菜单，其中包含当前工作空间中的PID模型对象。列表包括所有类型的PID模型对象(pid，pidstd，pid2,或pidstd2)，它们与当前指定的工厂具有相同的时域。例如，如果工厂是一个离散时间状态空间模型，那么工作空间中的任何离散时间PID模型对象都可以作为基线控制器。

指定基线控制器时，响应图将更新为包含带有基线控制器的系统响应的虚线图。

对比存储控制器

您可以存储一个设计作为基线，同时进一步试验控制器类型、性能目标和其他设置。要做到这一点，当你找到想要用作基线的设计时:

请注意在任务摘要行中控制器工作区变量的名称(参见提示)．例如，如果名称是C，则当前控制器在MATLAB工作空间中为C．
在任务摘要行中修改控制器变量的名称。例如，将其更改为Cnew．
选择基线控制器并指定存储的控制器C作为基线。
当您进一步试验控制器设计时，任务将更改存储到工作区中的控制器为Cnew．该图显示了使用的基线响应C调整后的响应使用Cnew．

提示

选择一个植物后，该任务创建控制器并将其存储在MATLAB工作区中。存储的控制器为apid，pidstd，pid2,或pidstd2的选择指定的模型对象形式而且自由度．
存储控制器的默认变量名是C．您可以通过在任务摘要行中键入一个新名称来更改变量名。
该任务还提供了关于闭环系统的性能和健壮性的信息pidInfo默认情况下。有关此结构的信息，请参见信息参数的输出。pidtune参考页面。

算法

整定PID控制器使用中讨论的算法PID整定算法．

另请参阅

R2019b引入

整定PID控制器

描述

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相关功能

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例子

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