本文是一系列文章的开始，专门介绍在 Simulink 环境中调整 PID 控制器的自动化方法。 今天我们将了解如何使用 PID 调节器应用程序。
介绍
闭环控制系统中工业中使用的最流行的控制器类型可以被认为是 PID 控制器。 如果工程师从学生时代就记住了控制器的结构和工作原理，那么它的配置，即控制器系数的计算仍然是一个问题。 国外（例如[1, 2]）和国内（例如[3, 4]）都有大量文献，用相当复杂的自动控制理论语言来解释调节器的调节。
本系列文章将介绍使用 Simulink 工具调整 PID 控制器的自动化方法，例如：
- PID调节器
- 响应优化器
- 控制系统调谐器，
- 基于频率响应的 PID 调谐器，
- 闭环 PID 自动调节器。
控制系统的目标是基于永磁体励磁直流电机的电力驱动器，与惯性负载齿轮箱一起工作，具有以下参数：
- 电机电源电压， ;
- 电机电枢绕组的有功电阻， ;
- 电机电枢绕组的感抗， ;
- 发动机扭矩系数， ;
- 电机转子的转动惯量， .
负载和变速箱参数：
- 负载转动惯量， ;
- 齿轮比， .
这些文章实际上不包含数学公式，但是，希望读者具有自动控制理论的基础知识，以及在 Simulink 环境中建模的经验，以理解所提出的材料。
系统模型
让我们考虑一个伺服电动驱动器角速度的线性控制系统，下面给出了其简化框图。
根据给定的结构，在Simulink环境下建立了该系统的模型。
使用物理建模库模块创建电力驱动器（电动执行器子系统）和惯性负载（负载子系统）的模型 :
- 电力驱动模型，
- 惯性载荷模型。
电力驱动和负载模型还包括各种物理量的传感器子系统：
- 电机电枢绕组中流动的电流（子系统 A），
- 其绕组上的电压（子系统 V），
- 控制对象（子系统Ω）的角速度。
在设置PID控制器的参数之前，我们先运行模型进行计算，接受控制器的传递函数 。 150 rpm 输入信号的仿真结果如下所示。
从上图分析可以清楚地看出：
- 控制系统输出坐标未达到规定值，即系统中存在静态错误。
- 仿真开始时，电机绕组上的电压达到150 V，这将导致电机绕组因施加大于额定电压（24 V）的电压而发生故障。
让系统对单个脉冲的响应必须满足以下要求：
- 超调（Overshoot）不超过10%，
- 上升时间小于0.8秒，
- 瞬态时间（稳定时间）小于 2 秒。
此外，调节器必须将提供给电机绕组的电压限制为电源电压值。
设置控制器
使用工具配置控制器参数 ，可直接在 PID 控制器块参数窗口中使用。
该应用程序通过按下按钮启动 调…位于面板上 自动调谐。 值得注意的是，在执行控制器参数设置阶段之前，需要选择其类型（P、PI、PD 等）以及其类型（模拟或离散）。
由于要求之一是限制其输出坐标（电机绕组上的电压），因此应指定允许的电压范围。 为了这：
- 转到选项卡 输出饱和度.
- 点击旗帜按钮 限制输出，其结果是用于设置输出值范围的上限（Upper limit）和下限（Lower limit）的字段被激活。
- 设置范围边界。
作为系统一部分的调节器单元的正确操作涉及使用旨在对抗积分饱和的方法。 该块实现两种方法：反算和钳位。 有关这些方法的详细信息位于 。 方法选择下拉菜单位于面板上 抗饱和.
在本例中，我们将在字段中写入值 24 和 -24 上限 и 下限 相应地，也可以采用钳位的方法来消除积分饱和。
您可能会注意到调节器块的外观发生了变化：块的输出端口旁边出现了饱和标志。
接下来，按下按钮接受所有更改 使用, 返回选项卡 主要 инажимаем кнопку 调…，这将打开一个新的 PIDTuner 应用程序窗口。
在窗口的图形区域中，显示两个瞬态过程：使用控制器的当前参数，即对于未配置的控制器以及自动选择的值。 点击按钮即可查看新的参数值 显示参数位于工具栏上。 当您按下按钮时，将出现两个表格：控制器的选定参数（控制器参数）和使用选定参数对瞬态过程特性的评估（性能和鲁棒性）。
从第二表的值可以看出，自动计算的控制器系数满足所有要求。
按下按钮右侧有绿色三角形的按钮即可完成调节器设置 显示参数，之后新的参数值将在 PID 控制器块参数设置窗口中的相应字段中自动更改。
下面显示了针对多个输入信号对具有调谐控制器的系统进行仿真的结果。 在高输入信号电平（蓝线）下，系统将以电压饱和模式运行。
请注意，PID Tuner 工具根据线性化模型选择控制器系数，因此当转向非线性模型时，有必要澄清其参数。 在这种情况下，您可以使用该应用程序 .
文学
- PI 和 PID 控制器整定规则手册。 艾丹·奥德威尔
- 使用 MATLAB、Simulink 进行 PID 控制系统设计和自动整定。 王L
- 非严格形式的 PID 控制。 卡尔波夫 V.E.
- PID控制器。 实施问题。 第 1、2 部分。 Denisenko V.
来源： habr.com