PID控制被廣泛應(yīng)用于實驗控制和工業(yè)自動化系統(tǒng)中，但在實際調(diào)試中，傳統(tǒng)的PID控制器往往需要大量計算與經(jīng)驗積累，調(diào)節(jié)過程既繁瑣又耗時。而通過使用Moku:Pro的數(shù)字PID控制器，您可以根據(jù)增益曲線圖以實時動態(tài)地方式進行參數(shù)調(diào)節(jié)，并使用內(nèi)置的示波器即時觀察響應(yīng)信號。以更加直觀、實時的方式實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)。比起傳統(tǒng)反饋系統(tǒng)，這使得通過實際觀察來調(diào)節(jié)控制器更加容易，并且無需用戶進行大量的計算。

我們有一篇非常詳細的關(guān)于頻域控制的講解手冊，如果您感興趣，歡迎聯(lián)系昊量光電。

圖1:典型反饋系統(tǒng)框圖

如圖1所示是一個典型的反饋控制系統(tǒng)框圖。其中Xsp表示輸入設(shè)定點，C表示控制器，H表示受控系統(tǒng)，Xfreq表示系統(tǒng)的輸出頻率。在我們的反饋回路中，S表示用于測量系統(tǒng)輸出的傳感器。通過將此輸出與期望的設(shè)定點進行比較，控制器可以補償系統(tǒng)輸出的變化。 這里，設(shè)定點與系統(tǒng)輸出之間的差值就是誤差信號ε。如果傳感器輸出與設(shè)定點一致，則誤差信號為零。如果輸出大于期望設(shè)定點，則誤差為負值，控制器根據(jù)此時的誤差值來降低輸出進行調(diào)控。

調(diào)節(jié)反饋控制系統(tǒng)的方法多種多樣。在本例中，我們將通過Moku:Pro的#多儀器并行模式，你可以輕松將PID控制器與數(shù)字濾波器、示波器和波形發(fā)生器集成，構(gòu)建一個完整的控制與測試平臺，演示如何實時調(diào)節(jié)數(shù)字PID控制器。首先，輸入一個單位階躍信號，觀察系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)信號，并在觀察的同時調(diào)整P、I和D參數(shù)，以達到想要的調(diào)控效果。為了模擬被控系統(tǒng)，我們使用Moku:Pro配置“多儀器并行“模式（圖2），部署數(shù)字濾波器并配置為100 Hz截止頻率的二階低通濾波器（圖3）。最后，使用示波器內(nèi)置的波形發(fā)生器產(chǎn)生方波信號作為階躍輸入信號（圖4）。

圖2:在多儀器并行模式下部署數(shù)字濾波器替代反饋控制回路里的受控系統(tǒng)

圖3：數(shù)字濾波器盒低通濾波器配置圖 4: 使用內(nèi)置的波形發(fā)生器產(chǎn)生階躍信號

連接實驗系統(tǒng)

1. 如圖1所示，Moku:Pro的PID控制器作為反饋控制回路里的控制器與受控系統(tǒng)相連。

2. 確保輸入信號（即傳感器輸出信號與設(shè)定點Xsp信號之間的差值）和輸出的控制信號（即圖1中控制器的輸出）配置正確連接。將傳感器反饋信號連接到Moku:Pro的輸入1端口。將Moku:Pro的輸出1端口連接到您的受控系統(tǒng)，H的調(diào)節(jié)輸入口。此調(diào)節(jié)輸入信號可以用于壓控振蕩器(VCO)、激光調(diào)制輸入或電機控制器的調(diào)控。 3. 如圖5所示，通過單擊用于調(diào)節(jié)的控制器單元模塊來打開增益視圖，同時單擊在Moku:Pro PID控制器內(nèi)位于輸入和輸出側(cè)的信號監(jiān)測點來激活內(nèi)置的示波器功能。

圖5:上面是Moku PID控制器的信號處理框圖，下面是內(nèi)置的示波器顯示界面

使用Moku:Pro內(nèi)置的PID控制器時，你可以在圖形化界面中拖動增益曲線圖來直接調(diào)節(jié)比例（P）、積分（I）、微分（D）參數(shù)，并通過示波器實時觀察輸出響應(yīng)。相比傳統(tǒng)方法，這種可視化交互式調(diào)試方式省去了大量推導與反復試錯。

第一步

｜比例參數(shù)（P）

圖6:關(guān)閉I參數(shù)和D參數(shù)，單獨增加P參數(shù)

1. 開始時，我們關(guān)閉 I參數(shù)和D參數(shù)。

2. 通過拖動視圖右側(cè)小圖標來調(diào)節(jié) P參數(shù)，直至系統(tǒng)響應(yīng)開始變快。3. 在示波器上觀察輸出信號，如果系統(tǒng)輸出發(fā)生劇烈振蕩，慢慢往回調(diào)節(jié) P參數(shù)。

第二步

｜積分參數(shù)（I）消除穩(wěn)態(tài)誤差

1. 如圖7所示，逐步增加I參數(shù)可消除穩(wěn)態(tài)誤差。

圖7: P參數(shù)減小后，微調(diào)I參數(shù)

2.通過示波器觀察是否過沖— I參數(shù)過大會造成系統(tǒng)過度振蕩。如圖8所示，增大I參數(shù)到300 Hz，我們會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)振蕩十分明顯。

圖8:系統(tǒng)振蕩隨著I參數(shù)增大而增大。

3.如果系統(tǒng)振蕩增大，可以考慮略微減小P參數(shù)。

第三步

｜微分參數(shù)（D）提升調(diào)控穩(wěn)定度

1. 如圖 9所示，設(shè)定D參數(shù)，緩慢增加來減少過沖，并抑制振蕩。

圖9:設(shè)定好P參數(shù)和I參數(shù)后，設(shè)定D參數(shù)到100 Hz

2.這里注意— D參數(shù)不佳會因為高頻信號被放大造成系統(tǒng)噪聲變大。我們可以激活微分飽和參數(shù)來限制高頻增益。

3.最后，一邊調(diào)節(jié)P、I和D參數(shù)，一邊觀察示波器上的信號，最終獲得最佳的調(diào)控效果。

我們可以采用微調(diào)方式加上在示波器上實時觀察階躍響應(yīng)來進一步精確調(diào)節(jié)。通過使用示波器內(nèi)置的測量功能，我們也能同時對上升時間、過沖、下沖等進行監(jiān)測，然后可以按需將這些檢測信息記錄到一個文件內(nèi)。這些測量軌跡可以導出并轉(zhuǎn)換成.MAT類型的文件，然后在MATLAB中被用作后續(xù)分析處理。我們也可以按需設(shè)置PID控制器輸出側(cè)的限壓器來保護下一級受控單元，濾波器，或者調(diào)整采樣率來提高穩(wěn)定度。如果要實現(xiàn)級聯(lián)控制器，我們可以使用Moku:Pro的多儀器并行模式。

聯(lián)系昊量光電獲取《Moku PID控制器調(diào)參方法快速指南》，您還可以結(jié)合經(jīng)典調(diào)節(jié)技巧如：

Ziegler-Nichols方法：快速獲取臨界增益與振蕩周期，進行初步參數(shù)設(shè)置

響應(yīng)導向法：先調(diào)P，再加I，最后加D，優(yōu)化過沖與穩(wěn)態(tài)誤差

頻域調(diào)節(jié)法：通過系統(tǒng)增益與相位裕度調(diào)節(jié)提高魯棒性

通過Moku將多個功能模塊整合在一個平臺，我們提供了一種全新、直觀的方式來調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)。無需額外的硬件成本即可讓傳統(tǒng)復雜的控制器調(diào)節(jié)流程變得直觀、高效、精確。實驗室教學也變得簡單，學生可通過GUI觀察系統(tǒng)響應(yīng)，直觀理解反饋控制原理。