PIDTune

PIDTune[sys]

对线性时不变系统 sys 给出 PID 反馈控制器.

PIDTune[sys,"carch"]

给出结构为 "carch""P""PI""PID" 等)的控制器.

PIDTune[sys,{"carch","trule"}]

给出整定规则为 "trule" 的控制器.

PIDTune[sys,,"prop"]

返回属性 "prop" 的值.

更多信息和选项

  • PIDTune 将产生一个 PID 控制器 gfb,以使闭环系统 csys 具有良好的抵抗扰动 的性能,并能更好地跟随参考信号 的变化.
  • 理想 PID 控制器利用比例单元、积分单元和微分单元,通过 来计算控制信号 .
  • 默认情况下,返回表示 gfb 的传递函数.
  • 系统 sys 可以是以下任何单输入单输出 (SISO) 连续时间系统:
  • TransferFunctionModel[]输入输出频域模型
    StateSpaceModel[]线性控制输入和线性状态
    AffineStateSpaceModel[]线性控制输入和非线性状态
    NonlinearStateSpaceModel[]非线性控制输入和非线性状态
    SystemModel[]一般系统模型
  • 对于 AffineStateSpaceModelNonlinearStateSpaceModelSystemModel 等非线性系统,系统将围绕其存储的工作点进行线性化.
  • PIDTune 是一种 SISO 控制器设计技术. PIDTune[sspec,] 可用于指定多输入多输出系统的 SISO 子系统.
  • 系统规范 sspec 是一个 Association,可以具有以下键:
  • "InputModel"输入模型 sys
    "FeedbackInput"sys 的反馈输入
    "MeasuredOutput"sys 的测量输出
  • 可以使用下列控制器结构 "carch"
  • "P"比例
    "PI"比例积分
    "PD"比例微分
    "PID"比例积分微分
    "PFD"带有滤波微分单元的 "PD"
    "PIFD"带有滤波微分单元的 "PID"
  • 默认情况下,选择 "PI" 控制器.
  • 除非明确指定,基于系统 sys 的稳定性,自动选择整定规则 "trule".
  • 可以使用下列整定规则 "trule"
  • "AMIGO"近似 约束积分增益最优化
    "AMIGOFrequency"来自频率响应的 "AMIGO"
    "ChienHronesReswick"使用基于阶跃响应的规则
    "CohenCoon"幅值衰减率 0.25 下的主导极点位置
    "DisturbanceRejection"最小化扰动响应的无穷范数
    "ErrorIntegral"最小化误差 的积分
    "KappaTau"主导极点位置
    "KappaTauFrequency"来自频率响应的主导极点位置
    "LambdaTuning"使用内部模型控制
    "LoopShaping"精确 "AMIGO"
    "SkogestadIMC"使用基于半规则化简的内部模型控制
    "TyreusLuyben"使用基于频率响应的规则
    "ZieglerNichols"使用基于阶跃响应的规则
    "ZieglerNicholsFrequency"使用基于频率响应的规则
  • PIDTune[sys,,"Data"] 返回一个 SystemsModelControllerData 对象 cd,可用于使用 cd["prop"] 形式提取其他属性.
  • PIDTune[sys,,"prop"] 可用于直接给出 cd["prop"] 的值.
  • PIDTune 可以计算前馈滤波器 gff 来改善参考 的跟踪,与反馈控制器 gfb 的扰动拒绝功能无关.
  • 前馈权重 bc 影响参考信号 的百分比被提供给 PID 控制器的不同项. 所得控制器由 给出,但是作为不同的前馈滤波器 gff 提供时域反馈控制器 gfb 合用有相同的效果.
  • 与不同传递函数相关的属性包括:
  • "Feedback"反馈 gfb
    "Feedforward"前馈 gff
    "OpenLoop"gfbsys 的串联
    "DisturbanceOutput" 的传递函数
    "DisturbanceControl" 的传递函数
    "ReferenceOutput" 的传递函数
    "ReferenceControl" 的传递函数
    "SensorOutput" 的传递函数
    "SensorControl" 的传递函数
    "ISA" 的传递函数
    "ClosedLoop" 的传递函数
  • 与传递函数参数化相关的属性:
  • "FeedbackIdealParameters"{kp,ti,td}
    "FeedbackSeriesParameters"{kps,tis,tds}
    "FeedbackParallelParameters"{kpp,kip,kdp}
    "FeedforwardParameters"{b,c}gff
    "DerivativeFilterParameter"用于控制 gffgfb 中微分滤波器的 n
  • 微分滤波器将直接微分 替换为它的滤波版本 ,实际上相当于将低通滤波器与微分单元串联起来.
  • 对于 sys,与整定规则和内部整定模型相关的属性为:
  • "TuningRule"选中的整定规则
    "TuningModel"模型和参数 {"tmodel",{par1,}}
  • 可能的整定模型与参数:
  • {"FOPTD2",{kv,l}}一阶加纯滞后
    {"FOPTD3",{ks,l,tc}一阶加纯滞后
    {"Frequency2",{ku,tu}}极限增益和极限周期
    {"Frequency3",{ku,tu,ks}极限增益、极限周期和静态增益
    {"SOPTD",{ks,l,tc1,tc2}}二阶加纯滞后
  • 参数是静态增益 、速度常量 、延迟 、时间常量 、极限增益 和极限周期 .
  • 可以给出下列选项:
  • PIDFeedforward Nonegff 的基准权值
    PIDDerivativeFilter None滤波微分器
    Method Automatic所使用的方法
  • Method 的设置用于控制推导整定模型的参数估计方法.
  • Method 的可能设置包括:
  • Automatic自动选择估计方法
    "CharacteristicArea"使用阶跃响应的特征区域
    "GainMargins"使用相位交叉频率和增益裕值
    "InflectionPoint"使用阶跃响应的发射点
    "MethodOfMoments"匹配矩
    "TwoPointSampling"使用阶跃响应的 28% 和 63% 点

范例

打开所有单元关闭所有单元

基本范例  (2)

整定 PI 控制器:

PID 控制器:

使用指定整定规则,整定 PI 控制器:

范围  (17)

基本用途  (4)

为一个用状态空间形式表示的工厂设计 PI 控制器:

或者用传递函数表示工厂:

指定控制器的类型:

比例:

比例积分:

比例、积分和微分:

带有滤波器的 PID:

评估所得控制器的性能表现:

跟随参考信号的性能:

抗干扰性能:

获取应用于不同实现技术的不同标准形式的 PID 参数:

理想形式:

串联形式:

并联形式:

属性  (4)

获取 SystemsModelControllerData 对象并从中提取一个属性:

直接获取属性:

获取一组属性:

给出算出的控制器,PID 反馈控制器和前馈滤波器:

反馈控制器传递函数和 PID 控制器:

默认情况下,不包含前馈滤波器:

分别给出从参考信号、过程干扰信号和传感器噪声到输出的闭环传递函数:

参考信号到输出的传递函数表明跟随参考信号变化的能力:

过程干扰信号到输出的传递函数表明抗干扰的能力:

传感器噪声到输出的传递函数表明抑制测量噪声的能力:

分别给出从参考信号、过程干扰信号和传感器噪声到控制信号输出的闭环传递函数:

参考信号到控制信号输出的传递函数表明为跟随参考信号所做的工作量:

干扰信号到控制信号输出的传递函数表明为抵抗干扰所做的工作量:

传感器噪声到控制信号输出的传递函数表明为抑制传感器噪声所做的工作量:

控制器结构  (4)

默认情况下,控制器结构为比例积分控制器:

指定控制器结构:

比例 ("P") 控制器:

比例积分 ("PI") 控制器:

比例微分 ("PD") 控制器:

比例微分积分 ("PID") 控制器:

滤波 PD ("PFD") 控制器:

滤波 PID ("PIFD") 控制器:

用积分控制来消除稳态跟随误差:

微分控制可会使系统作出更快速的反应:

更快的反应往往意味着更大的控制工作量:

整定规则  (5)

自动确定整定规则:

属性 "TuningRule" 给出所使用的整定规则:

获取为给定的 lsys"carch" 自动选择的整定规则:

"CohenCoon" 整定规则适用于 PD 和 PFD 结构:

"LoopShaping" 规则设计的控制器的最大敏感度约为1.4:

开环传递函数的奈奎斯特图位于半径为 1/1.4的敏感度圆的外面:

"TyreusLuyben" 规则可以为一个不稳定系统设计一个稳定控制器:

"ZieglerNicholsFrequency" 规则也可用来使系统稳定下来:

选项  (4)

PIDFeedforward  (2)

默认前馈传递函数为单位传递函数:

输入为阶跃信号时,这可能会导致较大过冲:

PIDFeedforward 选项来改进跟随性能:

自动计算前馈滤波器的参考权重:

权重为:

前馈滤波器的传递函数:

PIDDerivativeFilter  (1)

指定微分滤波器参数:

自动计算微分滤波器参数并获取数值:

Method  (1)

指定参数估计方法:

不同的估计方法导致不同的控制器:

应用  (4)

过程控制  (2)

对于一个由三个水池级联组成的系统,设计一个 PID 控制器,保持水池3的水位不变:

从水池1的进水率到水池3的水位的传递函数:

为该系统设计一个 PID 水位控制器:

从第一个水池的进水到第三个水池的水位的响应为:

PID 控制器同时还提高了增益及相位裕量:

恒温连续式搅拌槽反应器 (CSTR):

从稀释率到产品浓度的传递函数:

设计一个 PID 控制器来控制产品浓度:

产品浓度偏离目标值 0.1 gmol/liter,控制器为纠正此改变所做的工作量:

所达到的产品浓度:

使用整定规则,使系统作出更快速的反应:

更快速的反应意味着控制工作量的大幅增加:

电机控制  (1)

如下所示为一个直流电机的传递函数模型. 设计一个 PID 位置控制器并仿真控制器对参考信号和干扰信号的响应:

对参考信号的响应:

对干扰信号的响应,通常情况下来源于各种负载:

对参考信号和干扰信号的响应:

使用不同的整定规则:

非线性系统控制  (1)

在一个连续式搅拌槽反应器中,发生了反应 ,目标是利用流体温度 作为控制器的输入,使温度 跟随一个期望的轨迹:»

系统的非线性模型:

用一个一阶系统的响应来模拟参考轨迹:

开环系统不跟随期望的轨迹:

设计一个 PID 控制器,并计算加上控制器后非线性系统的响应:

带有控制器的系统线性化后的响应:

比较响应:

属性和关系  (2)

给出良好的参考响应的整定规则可能不能给出良好的扰动响应:

参考信号发生阶跃变化的参考响应:

干扰信号发生阶跃变化的扰动响应:

PI 控制器会在低频处引起相位滞后:

PD 控制器会在高频处引起相位超前:

PID 控制器兼有这两个属性:

可能存在的问题  (1)

某些控制器类型和整定规则的规范可能不兼容:

自动确定整定规则:

Wolfram Research (2012),PIDTune,Wolfram 语言函数,https://reference.wolfram.com/language/ref/PIDTune.html (更新于 2021 年).

文本

Wolfram Research (2012),PIDTune,Wolfram 语言函数,https://reference.wolfram.com/language/ref/PIDTune.html (更新于 2021 年).

CMS

Wolfram 语言. 2012. "PIDTune." Wolfram 语言与系统参考资料中心. Wolfram Research. 最新版本 2021. https://reference.wolfram.com/language/ref/PIDTune.html.

APA

Wolfram 语言. (2012). PIDTune. Wolfram 语言与系统参考资料中心. 追溯自 https://reference.wolfram.com/language/ref/PIDTune.html 年

BibTeX

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