本博客提供了使用单位阶跃响应法调整数字 PID 控制器的实用指南，利用实时反馈和示波器可视化进行有效调整。
当调整数字 PID控制器，您可以在增益图上以交互方式调整参数，并在嵌入式 示波器。这使得实验性地调整控制器比传统 反馈系统，并且需要用户进行更少的计算。有关频域控制的详细指南，请阅读我们的 应用笔记.
图 1：典型的反馈控制系统框图。如图 1 所示，构建反馈控制回路时，使用框图方法可以大大简化分析。图 1 描述了一个闭环频率控制系统，其中 Xsp 表示设定点输入，C 表示控制器，H 表示受控系统，X频率 代表系统的输出频率。在我们的反馈回路中，S 代表一个传感器，用于测量系统输出。通过将此输出与期望设定值进行比较，控制器可以补偿系统的变化。期望设定值与系统输出之间的差值就是误差信号 ε。如果传感器输出与设定值匹配，则误差信号为零。如果输出大于期望设定值，则误差为负值，控制器会降低输出。有很多方法可以调整反馈控制系统。在本例中，我们将概述如何通过实验来调整数字 PID 控制器：首先输入一个单位阶跃信号，观察系统的单位阶跃响应，然后在观察响应的同时调整 P、I 和 D 参数，以达到所需的结果。为了模拟被测系统，我们配置了 Moku:Pro。 多仪器并行模式 （图2），在数字滤波器盒中使用100 Hz、二阶低通滤波器（图2）。 示波器的嵌入式波形发生器产生方波作为我们的输入阶跃信号（图 4）。
图 2：使用数字滤波盒模拟植物的多仪器模式配置
图 3：数字滤波器盒低通滤波器配置
图 4：使用嵌入式波形发生器生成阶跃信号
设置系统
- 将 Moku:Pro PID 控制器作为图 1 中的 C 控制器连接到您的系统。
- 确保输入信号（即实际传感器输出与所需设定点 Xsp 之间的差值）和输出控制信号（即图 1 中 C 的输出）配置正确。要了解有关 PID 控制器输入控制矩阵的更多信息，请阅读此 知识库文章. 将传感器反馈连接到 Moku:Pro. 将 Moku:Pro 的输出 1 连接到您的工厂或受控系统的调谐输入 H。此调谐输入可以用于压控振荡器 (VCO)、激光调制输入或电机控制器。
- 通过单击用于调整的控制器块和 Moku PID 控制器中控制器前后的探测点处的嵌入式示波器来打开增益图视图，如图 5 所示。
图 5：Moku PID 控制器的框图视图（顶部）。Moku PID 控制器的增益图和嵌入式示波器视图（底部）。
从比例（P）开始
图 6：I 和 D 等于零，P 增加。
- 首先禁用 I 和 D。
- 通过在增益图上拖动 P 来增加 P，直到系统开始快速响应。
- 观察示波器输出——如果系统振荡太大，则稍微降低 P。
添加积分（I）以消除稳态误差
- 缓慢增加 I 以消除任何稳态误差，如图 7 所示。
图 7：减小 P，修改 I。
- 监测示波器是否有过冲——I 过大会导致过度振荡。在图 8 中，将 I 增加到 300 Hz 会导致明显的振荡。
图 8：振荡随 I 的增加而增大。
- 如果振荡增加，请考虑稍微降低 P。
添加导数（D）以提高稳定性
- 逐渐增加 D 以减少过冲并抑制振荡，如图 9 所示。
图 9：P 和 I 设置，在 100 Hz 处添加 D。
- 请注意——过多的 D 可能会因放大高频信号而使系统产生噪声。您还可以启用微分器饱和项来限制高频增益。
- 在观察示波器的同时交互调整 P、I 和 D 以获得最佳性能。
要进一步微调响应，请使用小调整并观察示波器上的实时响应。使用示波器的内置测量功能，您还可以监控上升时间、过冲、下冲等，并将这些信息记录到文件中（如果需要）。这些示波器轨迹也可以导出为 .MAT 文件，以供 在 MATLAB 中进一步分析。如有必要，调整输出限制以保护外部组件、滤波器或采样率，从而获得更好的稳定性。要实现级联控制器，请使用 多仪器并行模式 on Moku:Pro.