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用 PID 调节器设计 PID 控制器

在 Control System Toolbox™ 中,PID 调节器可用于对由 LTI 模型表示的被控对象的 PID 控制器执行自动、交互式调节。

有关使用 PID 调节器调节 Simulink® 模型中 PID Controller 模块的信息,请参阅Simulink 中基于模型的 PID 调节简介 (Simulink Control Design)

PID 调节器概述

使用 PID 调节器在单环负反馈控制配置中以交互方式设计 SISO PID 控制器。

PID 调节器自动为您的被控对象设计控制器。您可以指定控制器的类型(P、I、PI、PD、PDF、PID、PIDF)和形式(并行或标准)。

您也可以使用 PID 调节器为下图的反馈配置设计二自由度 PID 控制器:

PID 调节器可以设计二自由度 PID 控制器,其中设定点权重可以是自由可调参数。PID 调节器还可以设计另一种控制器,其中设定点权重在常见的控制配置(例如 I-PD 和 PI-D)中是固定的。

您可以使用各种响应图来分析设计,并以交互方式调整设计来满足您的性能要求。

要启动 PID 调节器,请使用 pidTuner 命令:

pidTuner(sys,type)

其中 sys 是您要控制的被控对象的线性模型,type 表示要设计的控制器类型

或者,输入

pidTuner(sys,Cbase)

其中 Cbase 是基线控制器,允许您将设计的控制器的性能与 Cbase 的性能进行比较。

有关 sysCbase 的详细信息,请参阅 pidTuner 参考页。

注意

您也可以从 MATLAB® 桌面的 App 选项卡中打开 PID 调节器。在您执行此操作时,请使用 PID 调节器中的被控对象菜单来指定您的被控对象模型。

PID 控制器类型

要选择控制器类型,请使用以下方法之一:

  • 在打开 App 时指定类型 - 在打开 PID 调节器时,为 pidTuner 命令提供 type 参量。例如,pidTuner(G,'PIDF2') 会打开一个 PID 调节器:其初始设计是导数项带有滤波器的二自由度 PID 控制器。

  • 使用现有控制器对象指定类型 - 在打开 PID 调节器时,为 pidTuner 命令提供基线控制器 Cbase 参量。PID 调节器会设计与 Cbase 类型相同的控制器。例如,假设 C0 是一个 pid 控制器对象,它只具有比例和导数动作(PD 控制器)。那么,pidTuner(G,C0) 就会打开初始设计为 PD 控制器的 PID 调节器

  • 在 App 中指定控制器类型 - 在 PID 调节器中,使用类型菜单更改控制器类型。

下列各表总结了可用的 PID 控制器类型。有关这些控制器类型的详细信息,请参阅PID Controller Types for Tuning

单自由度控制器

pidTunertype 输入类型菜单中的项控制器动作
'P'P纯比例
'I'I纯积分
'PI'PI比例和积分
'PD'PD比例和导数
'PDF'PDF比例和导数,其中导数项带有一阶滤波器
'PID'PID比例、积分和导数
'PIDF'PIDF比例、积分和导数,其中导数项带有一阶滤波器

二自由度控制器

PID 调节器可以自动设计具有自由设定点权重的二自由度 PID 控制器类型。下表总结了 PID 调节器中的二自由度控制器类型。有关二自由度 PID 控制器的详细信息,请参阅Two-Degree-of-Freedom PID Controllers

pidTunertype 输入类型菜单中的项控制器动作
'PI2'PI2二自由度比例和积分
'PD2'PD2二自由度比例和导数
'PDF2'PDF2二自由度比例和导数,其中导数项带有一阶滤波器
'PID2'PID2二自由度比例、积分和导数
'PIDF2'PIDF2二自由度比例、积分和导数,其中导数项带有一阶滤波器

具有固定设定点权重的二自由度控制器

使用 PID 调节器设计下表中总结的固定设定点权重控制器类型。有关这些控制器类型的详细信息,请参阅PID Controller Types for Tuning

pidTunertype 输入类型菜单中的项控制器动作
'I-PD'I-PD二自由度 PID,其中 b = 0、c = 0
'I-PDF'I-PDF二自由度 PIDF,其中 b = 0、c = 0
'ID-P'ID-P二自由度 PID,其中 b = 0、c = 1
'IDF-P'IDF-P二自由度 PIDF,其中 b = 0、c = 1
'PI-D'PI-D二自由度 PID,其中 b = 1、c = 0
'PI-DF'PI-DF二自由度 PIDF,其中 b = 1、c = 0

离散时间控制器类型

如果 sys 是具有采样时间 Ts 的离散时间模型,则 PID 调节器使用 ForwardEuler 离散积分器公式设计离散时间 pid 控制器。要设计具有不同离散积分器公式的控制器,请使用以下方法之一:

  • 为启动命令 pidTuner 提供离散时间基线控制器 CbasePID 调节器据此设计的控制器具有与 Cbase 相同的离散积分器公式。

  • 在启动 PID 调节器后,点击选项以打开控制器选项对话框。从积分公式导数公式菜单中选择离散积分器公式。

有关离散积分器公式的详细信息,请参阅 pidpid2pidstdpidstd2 参考页。

PID 控制器形式

当您为 pidTuner 使用 type 输入时,PID 调节器以并行形式设计控制器。要设计标准形式的控制器,请使用以下方法之一:

  • 为启动命令 pidTuner 提供标准形式的基线控制器 CbasePID 调节器会设计与 Cbase 相同形式的控制器。

  • 在启动 PID 调节器后,使用形式菜单更改控制器形式。

有关并行和标准控制器形式的详细信息,请参阅 pidpid2pidstdpidstd2 参考页。

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