软件简化了PID控制设计和调整

由穆拉德阿布 - 哈拉夫，荣辰＆arkadiy turevskiy，Mathworks，Inc。，纳尼克，质量。

整定PID(比例-积分-微分)控制器似乎很容易，只需要设置三个增益值;比例、积分和导数增益。事实上，安全而系统地为控制系统找到一组完美的增益值是一项复杂的任务。传统上，PID控制器要么手动调优，要么使用基于规则的方法。手工方法可能是迭代的和耗时的。基于规则的方法也有一定的局限性;例如，它们不支持某些类型的植物模型，如不稳定植物和高阶植物。除了整定之外，PID控制还涉及到设计和实现方面的挑战，如离散时间实现和定点缩放。

而Simulink软件套件的工具简化和改进了PID控制器的设计和实现。它节省了时间和开发成本，可以快速、轻松地将设计人员从概念阶段转移到可以下载到微控制器来控制物理设备或系统的代码。

四杆连杆系统：设计示例

图1：具有蓝色显示的静止下链路的四杆连杆机制。

以四杆连杆为例。四杆连杆是一种多杆装置，用于将旋转运动转换为往复运动。这种连杆应用范围很广，包括汽车悬架、机器人执行器和飞机起落架。

四杆联动系统的控制系统由两部分组成;一个前馈控制器和一个反馈PID控制器。前馈控制反转植物动力学;它通过考虑非线性行为来处理机构的主要运动。在面对建模不确定性和外界干扰的情况下，反馈PID控制使定位误差较小。

PID控制器取其中一个连杆的期望和实际旋转角度之间的误差信号，并创建一个转矩请求。这个请求被添加到前馈控制器的转矩请求中，并且这个和信号被用来驱动直流电机，驱动连接连杆的关节旋转。控制器必须使装置的运行稳定下来。它还必须最小化系统中的响应时间和超调量。由于控制器将在16位定点处理器上实现，因此它需要采用离散时间形式，增益和计算信号必须相应地缩放。

图2：四杆连接系统的控制架构。

工厂模型由一个四杆机构和一个直流电机组成。如图2所示的控制器架构是一个从标准控制库中提取的离散时间PID控制器块。随着工厂和控制系统的配置，控制器现在可以调整。调整控制器很简单，只要打开PID控制器块对话框，指定控制器采样时间，并单击按钮，打开PID调谐器图形用户界面(GUI)。在显示GUI之前，软件线性化当前运行点的被控对象，并得到反馈控制回路中的PID控制器块所看到的线性时不变(LTI)被控对象模型。该软件还考虑了与采样相关的任何计算延迟。使用一种自动整定方法，软件然后为PID控制器产生一组初始增益。这种调优方法对植物顺序和时间延迟没有限制，并且在连续和离散时域都能工作。

图3:16位定点PID控制器的C-code实现。该代码是从PID控制器块生成的。

然后，您可以使用软件生成的PID控制器的初始增益，查看闭环系统的初始设定值跟踪响应。如果控制器性能符合设计规范，请按“应用”更新PID控制器块对话框中P，I，D和N增益的值。然后可以通过模拟非线性模型并查看结果来测试系统性能。GUI中的另一个选项允许控制器使用简单的滑块交互式调整，以使控制器更快或更慢。

为了在16位微处理器上实现控制器，必须为特定控制器芯片支持的固定点算术缩放控制设计。这是通过软件中的GUI完成的，该GUI将自动应用定点设计所需的设置。下一步是使用固定点设置运行模拟，以验证定点设计结果与控制器增益和信号实现为双精度值时的结果密切匹配。

图4：仿真结果比较了所生成的C代码的性能与双精度PID控制器块的性能。

在PID控制器准备好实现后，最后一步是生成C代码。要测试此代码，用生成的C代码替换PID控制器块，并在闭环仿真中运行该代码。现在可以使用将在实际处理器上运行的C代码来运行模拟。仿真结果表明，所生成的代码所产生的结果与具有双精度值的PID控制器块所得到的结果非常吻合。该代码现在可以部署到微处理器上，开始实时控制四杆联动系统。

在工程交流中讨论这一点：