PID控制被廣泛應用于實驗控制和工業(yè)自動化系統(tǒng)中，但在實際調試中，傳統(tǒng)的PID控制器往往需要大量計算與經驗積累，調節(jié)過程既繁瑣又耗時。而通過使用Moku:Pro的數字PID控制器，您可以根據增益曲線圖以實時動態(tài)地方式進行參數調節(jié)，并使用內置的示波器即時觀察響應信號。以更加直觀、實時的方式實現系統(tǒng)調節(jié)。比起傳統(tǒng)反饋系統(tǒng)，這使得通過實際觀察來調節(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于頻域控制的講解手冊，如果您感興趣，歡迎聯系昊量光電。

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定點進行比較，控制器可以補償系統(tǒng)輸出的變化。 這里，設定點與系統(tǒng)輸出之間的差值就是誤差信號ε。如果傳感器輸出與設定點一致，則誤差信號為零。如果輸出大于期望設定點，則誤差為負值，控制器根據此時的誤差值來降低輸出進行調控。

調節(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控制器與數字濾波器、示波器和波形發(fā)生器集成，構建一個完整的控制與測試平臺，演示如何實時調節(jié)數字PID控制器。首先，輸入一個單位階躍信號，觀察系統(tǒng)的單位階躍響應信號，并在觀察的同時調整P、I和D參數，以達到想要的調控效果。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，使用示波器內置的波形發(fā)生器產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字濾波器替代反饋控制回路里的受控系統(tǒng)

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

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的調節(jié)輸入口。此調節(jié)輸入信號可以用于壓控振蕩器(VCO)、激光調制輸入或電機控制器的調控。 3. 如圖5所示，通過單擊用于調節(jié)的控制器單元模塊來打開增益視圖，同時單擊在Moku:Pro PID控制器內位于輸入和輸出側的信號監(jiān)測點來激活內置的示波器功能。

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

使用Moku:Pro內置的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節(jié)比例（P）、積分（I）、微分（D）參數，并通過示波器實時觀察輸出響應。相比傳統(tǒng)方法，這種可視化交互式調試方式省去了大量推導與反復試錯。

第一步

｜比例參數（P）

圖6:關閉I參數和D參數，單獨增加P參數

1. 開始時，我們關閉 I參數和D參數。

2. 通過拖動視圖右側小圖標來調節(jié) P參數，直至系統(tǒng)響應開始變快。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，慢慢往回調節(jié) P參數。

第二步

｜積分參數（I）消除穩(wěn)態(tài)誤差

1. 如圖7所示，逐步增加I參數可消除穩(wěn)態(tài)誤差。

圖7: P參數減小后，微調I參數

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

圖8:系統(tǒng)振蕩隨著I參數增大而增大。

3.如果系統(tǒng)振蕩增大，可以考慮略微減小P參數。

第三步

｜微分參數（D）提升調控穩(wěn)定度

1. 如圖 9所示，設定D參數，緩慢增加來減少過沖，并抑制振蕩。

圖9:設定好P參數和I參數后，設定D參數到100 Hz

2.這里注意— D參數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來限制高頻增益。

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

我們可以采用微調方式加上在示波器上實時觀察階躍響應來進一步精確調節(jié)。通過使用示波器內置的測量功能，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。這些測量軌跡可以導出并轉換成.MAT類型的文件，然后在MATLAB中被用作后續(xù)分析處理。我們也可以按需設置PID控制器輸出側的限壓器來保護下一級受控單元，濾波器，或者調整采樣率來提高穩(wěn)定度。如果要實現級聯控制器，我們可以使用Moku:Pro的多儀器并行模式。

聯系昊量光電獲取《Moku PID控制器調參方法快速指南》，您還可以結合經典調節(jié)技巧如：

Ziegler-Nichols方法：快速獲取臨界增益與振蕩周期，進行初步參數設置

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

頻域調節(jié)法：通過系統(tǒng)增益與相位裕度調節(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，直觀理解反饋控制原理。