本文是一系列文章的開始，專門介紹在 Simulink 環境中調整 PID 控制器的自動化方法。 今天我們將了解如何使用 PID 調節器應用程式。
介紹
閉環控制系統中工業中使用的最受歡迎的控制器類型可以被認為是 PID 控制器。 如果工程師從學生時代就記住了控制器的結構和工作原理，那麼它的配置，即控制器係數的計算仍然是一個問題。 國外（例如[1, 2]）和國內（例如[3, 4]）都有大量文獻用相當複雜的自動控制理論語言來解釋調節器的調節。
本系列文章將介紹使用 Simulink 工具調整 PID 控制器的自動化方法，例如：
- PID調節器
- 響應優化器
- 控制系統調諧器，
- 基於頻率響應的 PID 調諧器，
- 閉環 PID 自動調節器。
控制系統的目標是基於永久磁鐵勵磁直流馬達的電力驅動器，與慣性負載齒輪箱一起工作，具有以下參數：
- 馬達電源電壓， ;
- 馬達電樞繞組的有功電阻， ;
- 馬達電樞繞組的感抗， ;
- 引擎扭力係數， ;
- 馬達轉子的轉動慣量， .
負載和變速箱參數：
- 負載轉動慣量， ;
- 齒輪比， .
這些文章實際上不包含數學公式，但是，希望讀者俱有自動控制理論的基礎知識，以及在 Simulink 環境中建模的經驗，以理解所提出的材料。
系統模型
讓我們考慮一個伺服電動驅動器角速度的線性控制系統，下面給出了其簡化框圖。
根據給定的結構，在Simulink環境下建立了該系統的模型。
使用實體建模庫模組建立電力驅動器（電動執行器子系統）和慣性負載（負載子系統）的模型 :
- 電力驅動模型，
- 慣性載荷模型。
電力驅動和負載模型還包括各種物理量的感測器子系統：
- 馬達電樞繞組中流動的電流（子系統 A），
- 其繞組上的電壓（子系統 V），
- 控制物件（子系統Ω）的角速度。
在設定PID控制器的參數之前，我們先運行模型進行計算，接受控制器的傳遞函數 。 150 rpm 輸入訊號的模擬結果如下所示。
從上圖分析可以清楚看出：
- 控制系統輸出座標未達規定值，即系統中存在靜態錯誤。
- 在模擬開始時，馬達繞組上的電壓達到 150 V，這將導致馬達因向其繞組提供的電壓大於標稱電壓（24 V）而發生故障。
讓系統對單一脈衝的響應必須滿足以下要求：
- 超調（Overshoot）不超過10%，
- 上升時間小於0.8秒，
- 瞬態時間（穩定時間）小於 2 秒。
此外，調節器必須將提供給馬達繞組的電壓限制為電源電壓值。
設定控制器
使用工具配置控制器參數 ，可直接在 PID 控制器區塊參數視窗中使用。
該應用程式透過按下按鈕啟動 調…位於面板上 自動調諧。 值得注意的是，在執行控制器參數設定階段之前，需要選擇其類型（P、PI、PD等）以及其類型（模擬或離散）。
由於要求之一是限制其輸出座標（馬達繞組上的電壓），因此應指定允許的電壓範圍。 為了這：
- 轉到選項卡 輸出飽和度.
- 點擊旗幟按鈕 限制輸出，其結果是用於設定輸出值範圍的上限（Upper limit）和下限（Lower limit）的欄位被啟動。
- 設定範圍邊界。
作為系統一部分的調節器單元的正確操作涉及使用旨在對抗積分飽和的方法。 此區塊實現兩種方法：反算和箝位。 有關這些方法的詳細資訊位於 。 方法選擇下拉式選單位於面板上 抗飽和.
在本例中，我們將在欄位中寫入值 24 和 -24 上限 и 下限 相應地，也可以採用箝位的方法來消除積分飽和。
您可能會注意到調節器塊的外觀發生了變化：塊的輸出端口旁邊出現了飽和標誌。
接下來，按下按鈕接受所有更改 登記, 返回選項卡 主要 инажимаем кнопку 調…，這將開啟一個新的 PIDTuner 應用程式視窗。
在視窗的圖形區域中，顯示兩個瞬態過程：使用控制器的目前參數，即對於未配置的控制器以及自動選擇的值。 點擊按鈕即可查看新的參數值 顯示參數位於工具列上。 當您按下按鈕時，將出現兩個表格：控制器的選定參數（控制器參數）和使用選定參數對瞬態過程特性的評估（效能和穩健性）。
從第二表的值可以看出，自動計算的控制器係數滿足所有要求。
按下按鈕右側有綠色三角形的按鈕即可完成調節器設置 顯示參數，之後新的參數值將在 PID 控制器區塊參數設定視窗中的對應欄位中自動變更。
下面顯示了針對多個輸入訊號對具有調諧控制器的系統進行模擬的結果。 在高輸入訊號電平（藍線）下，系統將以電壓飽和模式運作。
請注意，PID Tuner 工具根據線性化模型選擇控制器係數，因此當轉向非線性模型時，有必要澄清其參數。 在這種情況下，您可以使用該應用程式 .
文學
- PI 和 PID 控制器整定規則手冊。 艾丹·奧德威爾
- 使用 MATLAB、Simulink 進行 PID 控制系統設計和自動整定。 王L
- 非嚴格形式的 PID 控制。 卡爾波夫 V.E.
- PID控制器。 實施問題。 第 1、2 部分。Denisenko V.
來源： www.habr.com