主要内容

使用自动调整方法设计补偿器

这个例子展示了如何使用自动调优方法来调优补偿器控制系统设计．

选择调整方法

要选择自动调优方法，请参见控制系统设计,点击调优方法．

选择以下一种调优方法:

  • PID调优-调整PID增益以平衡性能和鲁棒性或使用经典的调整公式。

  • 基于优化的调优-在图形调谐和分析图中使用设计要求优化补偿器参数(需要金宝app®优化设计™软件)。

  • LQG合成设计一个全阶稳定反馈控制器作为线性二次高斯(LQG)跟踪器。

  • 循环形成

    • 自由格式的结构-找到具有指定开环带宽或形状的全阶稳定反馈控制器(需要鲁棒控制工具箱™软件)。

    • 固定的结构-调整用户指定的稳定反馈控制器与指定的开环带宽或形状。

  • 内部模型控制(IMC)调整—采用IMC设计方法获得全阶稳定反馈控制器。

选择补偿器和要调整的环路

在选定的调优方法对话框中，单击补偿器段，选择补偿器和要调优的回路。您可以使用补偿器编辑器来指定补偿器结构。有关更多信息，请参见编辑动态补偿器．

  • 补偿器—在下拉列表中选择需要调优的补偿器。app显示当前补偿器传递功能。

  • 选择循环曲调—在下拉列表中选择需要调优的开环传输函数。可以选择任何开环传递函数数据浏览器这包括串联选择的补偿器

  • 添加新的循环-创建一个新的循环来调整。在“开环传递功能”对话框中，选择信号和环路开口，配置环路传递功能。

请注意

  • 对于基于优化的调优，不需要以这种方式指定要调优的补偿器和循环。相反，您可以定义补偿器结构，并选择要优化的补偿器和预滤波器参数。有关更多信息，请参见选择可调补偿元素(金宝app仿真软件设计优化)．

  • 除基于优化的调谐外，补偿器的结构在调谐后保持极点和零点的状态。

PID调优

使用控制系统设计，您可以自动调整以下任何PID控制器类型：

  • P -比例控制

  • I -仅积分控制

  • 比例积分控制

  • PD -比例导数控制

  • 在导数项上使用低通滤波器的比例导数控制

  • PID -比例-积分-微分控制

  • PIDF -比例-积分-微分控制，在微分项上使用低通滤波器

要打开“PID调优”对话框，请在控制系统设计,点击调优方法,并选择PID调优．

健壮的响应时间

鲁棒响应时间算法自动调整PID参数以平衡性能和鲁棒性。使用鲁棒响应时间法，您可以:

  • 调整所有参数为任何类型的PID控制器。

  • 为稳定、不稳定或集成化的工厂设计。

使用以下方法调整补偿器:

  1. 在“PID调优”对话框中规范的部分,调优方法下拉列表中,选择健壮的响应时间．

  2. 选择一个控制器类型．如果你选择PD.或者PID,请检查一阶导数滤波器的设计分别设计了PDF或PIDF控制器。

    提示

    在控制器中加入微分动作使算法具有更大的自由度，以达到充分的相位裕度和更快的响应时间。

  3. 在设计模式下拉列表，选择以下之一:

    • 时间—通过时域参数指定控制器性能。

      • 响应时间—设置控制器响应时间的快慢。若要将响应时间修改为10倍，请使用左箭头或右箭头。

      • 瞬态行为—指定控制器瞬时行为。你可以使控制器在抗扰方面更积极，或对被控对象的不确定性更鲁棒。

    • 频率—通过频域参数指定控制器性能。

      • 带宽—指定控制系统的闭环带宽。为了产生更快的响应时间，增加带宽。若要将带宽修改为10倍，请使用左箭头或右箭头。

      • 阶段保证金—指定系统的目标阶段裕度。为了减少超调和创建一个更鲁棒的控制器，增加相位裕度。

  4. 要将指定的控制器设计应用到所选的补偿器，请单击更新补偿器．

    请注意

    如果您先前手动或使用不同的自动调优方法指定了控制器结构，则单击时该结构将丢失更新补偿器．

  5. 默认情况下，应用程序自动计算控制器参数，以平衡性能和鲁棒性。若要在任何时候恢复到这些默认参数，请单击重新设置参数．

古典设计公式

您可以使用经典的PID设计公式来调整P, PI, PID和PIDF控制器。这些设计公式:

  • 需要稳定或整合植物。有关补偿器所见的有效植物的更多信息，请参阅有效调谐装置．

  • 无法调优导数过滤器。如果选择PIDF控制器，经典的设计方法是将滤波时间常数设为道明／10,在那里道明为调谐导数时间。

使用经典方法调整补偿器:

  1. 在“PID调优”对话框中规范的部分,调优方法下拉列表中,选择经典的设计公式．

  2. 选择一个控制器类型．

    提示

    在补偿器中加入微分动作使算法具有更大的自由度，既能获得足够的相位裕度，又能获得更快的响应时间。

  3. 在公式下拉列表，选择经典的设计公式。

    • 近似MIGO频率响应-使用闭环，频域，近似m约束积分增益优化计算控制器参数(见[1])．

    • 近似MIGO阶跃响应-使用开环，时域，近似m约束积分增益优化计算控制器参数[1])．

    • Chien-Hrones-Reswick-将对象近似为带有时滞的一阶模型，并使用Chien-Hrones-Reswick查找表计算PID参数，用于0%超调和干扰抑制(参见［2］)．

    • Skogestad IMC-将被控对象近似为带有时滞的一阶模型，并使用Skogestad设计规则计算PID参数［３］)．

      请注意

      这种方法不同于选择内模控制调整作为全阶补偿器整定方法。

    • Ziegler-Nichols频率响应-根据系统的最终增益和频率(见Ziegler-Nichols查找表)计算控制器参数［2］)．

    • Ziegler-Nichols阶跃响应-将被控对象近似为带有时滞的一阶模型，并使用Ziegler-Nichols设计方法计算PID参数(参见［2］)．

  4. 将指定的控制器设计应用于所选补偿器。点击更新补偿器．

    请注意

    如果您先前手动或使用不同的自动调优方法指定了控制器结构，则单击时该结构将丢失更新补偿器．

文中针对调优

基于优化的调优只有在您拥有的情况下才可用金宝app仿真软件优化设计软件安装。你可以用这种方法通过优化控制器参数来设计LTI模型的控制系统。

请注意

基于优化的调优只改变控制器参数的值，而不改变控制器结构本身。有关添加或删除补偿器元素的信息，请参见编辑动态补偿器．

使用基于优化的调优设计控制器:

  1. 定义要调优的补偿器的结构。通常，您可以手动或使用不同的自动调优方法设计初始控制器。

  2. 打开响应优化对话框。在控制系统设计,点击调优方法,并选择文中针对调优．

  3. 选择补偿器参数进行优化。在补偿器选项卡,优化列，选择要调谐的补偿器元素。

    中列出的任何补偿器都可以优化元素数据浏览器．

    您不选择的任何元素优化列在优化期间保持其当前值。

  4. 对于每个补偿器元素，指定:

    • 最初的猜测-优化算法的起始点。使用当前元素价值随着最初的猜测，单击表格中的一行，单击使用值作为初始猜测．

    • 最低和最大元素值的边界。优化将搜索结果限制在指定范围内。

    • 典型值归一化补偿元件的比例因子。

  5. 在设计要求选项卡,优化列，选择在优化期间满足的设计要求。

    每个设计要求都与一个特定的响应图相关联数据浏览器．

    有关添加和编辑设计需求的信息，请参见设计要求．

  6. (可选)配置优化选项。在优化选项卡上,单击优化选项．

  7. 点击开始优化．

有关基于优化的调优的示例，请参见优化LTI系统以满足频域要求(金宝app仿真软件设计优化)和基于优化的线性化Simulink模型(GUI) PID控制器设计金宝app(金宝app仿真软件设计优化)．

LQG合成

线性二次高斯(LQG)控制是一种设计最优动态调节器和设定点跟踪器的技术。这种技术允许您权衡性能和控制努力，并考虑过程干扰和测量噪音。

LQG综合生成了保证闭环稳定性的全阶反馈控制器。所设计的控制器包含一个积分器，在没有自由微分器的情况下，可以保证零稳态误差。

设计LQG控制器:

  1. 打开LQG Synthesis对话框。在控制系统设计,点击调优方法,并选择LQG合成．

  2. 属性指定控制器的瞬态行为控制器响应滑块。你可以使控制器在抗扰方面更积极，或对被控对象的不确定性更鲁棒。如果您认为您的模型是准确的，并且操纵变量具有足够大的范围，则优选侵略性控制器。

  3. 属性指定应用程序的输出测量噪声水平的估计测量噪声滑块。要生产更强大的控制器，请指定更大的噪声估计。

  4. 属性指定控制器顺序首选项所需的控制器顺序滑块。最大控制器阶数取决于有效的被控对象动态。

  5. 将指定的控制器设计应用于所选补偿器。点击更新补偿器．

    请注意

    如果您先前手动或使用不同的自动调优方法指定了控制器结构，则单击时该结构将丢失更新补偿器．

以LQG合成为例控制系统设计,请参阅利用控制系统设计器设计LQG跟踪器．

循环形成

你可以使用环路成形来设计SISO补偿器控制系统设计适用于自由形式或固定结构的补偿器。环路整形设计自由形式的补偿器需要一个鲁棒控制工具箱许可证。回路成形生成一个稳定反馈控制器来尽可能地匹配目标回路形状。您可以指定这个环路形状作为带宽或开环频率响应。

使用循环成形设计控制器:

  1. 打开“循环整形”对话框。在控制系统设计,点击调优方法,并选择循环形成．

  2. 选择下列调优首选项之一:

    • 补偿器结构-选择下列补偿结构之一:

      • 自由格式的结构-如果你安装了鲁棒控制工具箱软件，你可以使用自由形式的补偿结构。使用所需的控制器顺序滑块指定控制器顺序首选项。您可以使用补偿器编辑器来指定补偿器结构。有关补偿器编辑器的更多信息，请参见编辑动态补偿器．

      • 固定的结构-当你选择固定的结构，控制系统设计将使用提供的控制器订单来执行自动循环成型。

    • 目标带宽- 指定A.针对开环带宽， ω b ，在积分器上产生指定带宽的环路形状， ω b 年代 ．

    • 目标回路形状——指定针对开环的形状作为一个特遣部队，党卫军,或ZPK.对象。要限制与目标环路形状匹配的频率，请指定环路整形的频率范围作为一个两元素的行向量。

  3. 属性指定控制器顺序首选项所需的控制器顺序滑块时采用自由形式补偿器结构。最大控制器阶数取决于有效的被控对象动态。当你使用固定补偿结构时，控制系统设计将使用提供的控制器订单来执行自动循环成型。

  4. 将指定的控制器设计应用于所选补偿器。点击更新补偿器．

    请注意

    如果您先前手动或使用不同的自动调优方法指定了控制器结构，则单击时该结构将丢失更新补偿器．

内模控制调整

内部模型控制(IMC)使用一个工厂动态的预测模型来计算控制动作。IMC设计产生一个全阶反馈控制器，在没有模型误差的情况下保证闭环稳定性。调谐补偿器还包含一个积分器，它保证零稳态偏移的植物没有一个自由的微分器。您可以对稳定和不稳定的植物使用这种调优方法。

设计IMC控制器:

  1. 选择并配置IMC控制架构。在控制系统设计,点击编辑架构．

    在Edit Architecture对话框中，选择第五个控件架构，并导入工厂模型，G1预测模型,G2，扰动模型Gd．

    点击好吧．

  2. 打开内部模型控制(IMC)调优对话框。在控制系统设计,点击调优方法,并选择内部模型控制(IMC)调整．

  3. 指定一个主导闭环时间常数．默认值为开环建立时间的5％。通常，增加该值会减慢闭环系统，使其更加强大。

  4. 属性指定控制器顺序首选项所需的控制器顺序滑块。最大控制器阶数取决于有效的被控对象动态。

  5. 将指定的控制器设计应用于所选补偿器。点击更新补偿器．

    请注意

    如果您先前手动或使用不同的自动调优方法指定了控制器结构，则单击时该结构将丢失更新补偿器．

有关IMC调优的示例，请参见化学反应器植物内部模型控制器．

参考

[1] Åström, K. J.和Hägglund, T.“替代齐格勒-尼克尔斯调弦规则”。第七章在高级PID控制， Research Triangle Park, NC: Instrumentation, Systems, and Automation Society, 2006, pp. 233-270。

[2] Åström, K. J.， Hägglund, T. "齐格勒-尼科尔斯及其相关方法"。6.2节中高级PID控制， Research Triangle Park, NC: Instrumentation, Systems, and Automation Society, 2006, pp. 167-176。

[3] Skogestad, S.，“模型约简和PID控制器整定的简单分析规则。”过程控制杂志， Vol. 13, No. 4, 2003, pp. 291-309。

另请参阅

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学习如何自动调整PID控制器增益

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