使用Open-Loop PID AutoTuner块实时调谐PID控制器

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这个例子展示了如何使用开环PID自动调谐块来调整一个发动机转速控制系统的PI控制器在仿真和实时。

开环PID自整定器模块介绍

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调谐场景:金宝app

(1)在硬件上部署块，并在独立的实时应用程序中使用它，而不需要Simulink。金宝app

（2）在硬件上部署块，但使用外部模式监视和管理Simulink中的实时调整过程。金宝app外部模式允许在主机上运行的Simulink框图之间的通信以及在硬件上运行的生成的代码。金宝app

本示例重点介绍第二种场景，其中开环PID自动调谐器块用于使用外部模式实时调整发动机转速控制系统。

调谐发动机速度控制器

Simu金宝applink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”；open_system (mdl);

PI控制器具有P = 0.01和I = 0.01的初始增益，通过“P”和“I”输入端口外部提供给PID块。有外部P和I增益允许你改变他们后，新的增益是由开环PID自动调谐块稍后计算。

打开循环PID自动箱块在PID块和发动机模型之间插入。开始/停止信号用于启动和停止开路实验。当没有运行实验时，开环PID自动箱块的行为类似于单位增益块，其中“u”信号直接传递给“u +Δu”。当实验结束时，块调谐PID增益并以“PID增益”端口输出它们。

当使用Open-Loop PID AutoTuner块实时使用Open-Loop PID AutoTuner块时需要注意一些事情：

由于在整定过程中进行了开环实验，所以整定对象必须是渐近稳定的。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块。然而，在这两种情况下，你都必须在调优过程中密切监视电站的行为，并在电站过于接近不希望的运行条件时立即进行干预。

为了帮助估计工厂频率响应更加准确，在调谐过程中应该发生最小负载干扰。该块预计植物输出仅是对注入的扰动信号的响应，并且负载干扰扭曲了该输出。

PID块中的“跟踪模式”（Tr Inport）打开，这使PID块能够在调谐过程中跟踪真实工厂输入“U +ΔU”。当循环关闭时，应所有时间使用此功能，以便在循环完成时循环且PID块恢复控制。

配置开环PID自动调谐块

在正确连接开环PID自动调谐块与工厂模型和PID块，打开块对话框，指定调谐和实验设置。

“调整”选项卡中有两个主要调谐设置：

目标带宽：确定您希望控制器响应的速度。在此示例中，选择2 RAD / SEC，因为所需的上升时间为1秒。

目标相位裕度:确定您希望控制器的鲁棒程度。在本例中，选择默认值60度，这通常会导致大约5%的超调。

“实验”标签中有两个主要实验设置：

正弦幅度：指定注入的正弦波的幅度。在这个例子中，为所有四个正弦波选择0.1，一部分标称植物输入的一部分9.在调谐过程中，植物输出在1900和2100 rpm之间变化，约为+/- 5％的标称植物输出2000年。目标是保持植物在标称工作点附近操作，以避免令人兴奋的非线性植物行为。

步骤幅度：指定注入的步骤信号的幅度。在此示例中，选择0.1。请注意，如果工厂具有单个积分器，则需要选择不估计直流增益，结果，没有将步进信号注入工厂。

在正常模式下模拟开环PID自整定器

如果您在Simulink中构建了一个工厂模型，建议在使用外部模式下使用金宝app块进行实时调整之前在正常模式下对植物模型模拟开环PID自动箱块。仿真将有助于您识别信号连接和块设置中的问题，以便在生成代码之前调整它们。

sim (mdl);

在这个例子中，引擎转速参考信号从2000转到3000转，然后在前20秒返回到2000转。P = 0.01和I = 0.01的原始增益在瞬态中引起强烈的振荡，需要重新调谐。

在20秒时，工厂在2000转/分钟的额定运行点运行，在线PID调整开始。实验持续时间为50秒，因为一个保守的指导方针建议在线频率响应估计收敛大约需要“100/带宽”秒。

当PID调谐停止在70秒时停止，新增的P = 0.0026和I = 0.0065立即以“PID收益”出口立即可用，并发送到PID块的外部P和I端口，覆盖原始收益。请注意，当循环关闭时几乎没有凹凸，并且PID块在那一刻恢复控制。

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。

在外部模式下使用开环PID自动箱块

要在外部模式下对物理发动机调谐PI控制器，您需要使用硬件接口块更换“引擎型号”部分，将RPM测量值提供为“Y”，并将节流角发送到执行器“U”金宝app“。

下面是一个配置为在外部模式下进行调优的金宝appSimulink图示例，假设您的PI控制器运行在Arduino DUE板上，并通过串口与物理引擎通信。

以下是对原始Simulink模型所做的更改(按顺序)的总结，以使其在外部模式下工作:金宝app

有一个主机，运行Simulink并通过USB连接与Arduin金宝appo抵抗力通信。

安装“Arduin金宝appo硬件S金宝appimulink支持包”。如果硬件不同，则需要安装不同的硬件支持包。金宝app

在“Configuration Parameters”对话框中，在“solver”窗格中选择“Fixed-Step”求解器类型，在“hardware Implementation”窗格中选择“Arduino DUE”硬件板。

用两个串行接口块替换原来模型中的发动机模型部分。在实时情况下，运行在Arduino板上的开环PID自动调谐器块从“串行接收”块(传感器)收集植物输出，并通过“串行传输”块(致动器)将实验信号发送给发动机。

为了在实时操作中获得更大的灵活性，通过手动“调谐开关”来启动和停止调谐过程，而不是基于模拟时钟。类似地，通过翻转“增益开关”来更新PI增益，通过翻转“参考开关”来改变参考信号。

在Simulink模型中选择“External Mode”，金宝app设置仿真时间为“infinite”。

运行模拟。首先，Simu金宝applink为整个模型生成代码，并将其下载到Arduino抵达。程序开始在电路板上运行后，您可以实时监控工厂输入并输出范围。当工厂达到2000 rpm的标称操作点时，请使用三个手动交换机调整，更新和验证控制器。

在外部模式下减少内存和避免任务溢出

“缩小内存和避免”选项“选项中的”仅限“选项”选项可以帮助在具有有限的内存资源和/或非常快速采样时间的硬件上部署生成的代码。

如果硬件内存不足，则在外部模式下进行调优时使用此选项。有了这个选项，Simulink只生成金宝app用于在线频率响应估计功能的代码。由于没有部署用于PID设计功能的代码，因此减少了硬件上的内存使用。在这种情况下，估计完成后，在上位机的Simulink中计算PID增益，然后发送回自动调谐器块。金宝app

整定过程结束时的PID增益计算比在线频率响应估计需要更多的计算负荷。如果控制器的采样时间非常快，一些硬件可能无法在一个执行周期内完成计算。因此，让主机执行PID增益计算也可以让您在计算能力有限的硬件上以快速采样时间调整PID控制器。