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PID控制原理和特點(diǎn)

工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要技術(shù)之一。

當(dāng)被控對象結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或不到精確數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象﹐或不能有效測量手段來獲系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。

1、比例控制(P)

比例控制是最常用的控制手段之一，比方說我們控制一個(gè)加熱器的恒溫100度，當(dāng)開始加熱時(shí)，離目標(biāo)溫度相差比較遠(yuǎn)，這時(shí)我們通常會(huì)加大加熱，使溫度快速上升，當(dāng)溫度超過100度時(shí)，我們則關(guān)閉輸出，通常我們會(huì)使用這樣一個(gè)函數(shù)

e(t) = SP – y(t)-

u(t) = e(t)*P

SP——設(shè)定值

e(t)——誤差值

y(t)——反饋值

u(t)——輸出值

P——比例系數(shù)

滯后性不是很大的控制對象使用比例控制方式就可以滿足控制要求，但很多被控對象中因?yàn)橛袦笮浴?/p>

也就是如果設(shè)定溫度是200度，當(dāng)采用比例方式控制時(shí)，如果P選擇比較大，則會(huì)出現(xiàn)當(dāng)溫度達(dá)到200度輸出為0后，溫度仍然會(huì)止不住的向上爬升，比方說升至230度，當(dāng)溫度超過200度太多后又開始回落，盡管這時(shí)輸出開始出力加熱，但溫度仍然會(huì)向下跌落一定的溫度才會(huì)止跌回升，比方說降至170度，最后整個(gè)系統(tǒng)會(huì)穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行振蕩。

如果這個(gè)振蕩的幅度是允許的比方說家用電器的控制，那則可以選用比例控制

2、比例積分控制(PI)

積分的存在是針對比例控制要不就是有差值要不就是振蕩的這種特點(diǎn)提出的改進(jìn)，它常與比例一塊進(jìn)行控制，也就是PI控制。

其公式有很多種，但大多差別不大，標(biāo)準(zhǔn)公式如下：

u(t) = Kp*e(t) + Ki∑e(t) +u0

u(t)——輸出

Kp——比例放大系數(shù)

Ki——積分放大系數(shù)

e(t)——誤差

u0——控制量基準(zhǔn)值(基礎(chǔ)偏差)

大家可以看到積分項(xiàng)是一個(gè)歷史誤差的累積值，如果光用比例控制時(shí)，我們知道要不就是達(dá)不到設(shè)定值要不就是振蕩，在使用了積分項(xiàng)后就可以解決達(dá)不到設(shè)定值的靜態(tài)誤差問題，比方說一個(gè)控制中使用了PI控制后，如果存在靜態(tài)誤差，輸出始終達(dá)不到設(shè)定值，這時(shí)積分項(xiàng)的誤差累積值會(huì)越來越大，這個(gè)累積值乘上Ki后會(huì)在輸出的比重中越占越多，使輸出u(t)越來越大，最終達(dá)到消除靜態(tài)誤差的目的

PI兩個(gè)結(jié)合使用的情況下，我們的調(diào)整方式如下：

1、先將I值設(shè)為0，將P值放至比較大，當(dāng)出現(xiàn)穩(wěn)定振蕩時(shí)，我們再減小P值直到P值不振蕩或者振蕩很小為止(術(shù)語叫臨界振蕩狀態(tài))，在有些情況下，我們還可以在些P值的基礎(chǔ)上再加大一點(diǎn)。

2、加大I值，直到輸出達(dá)到設(shè)定值為止。

3、等系統(tǒng)冷卻后，再重上電，看看系統(tǒng)的超調(diào)是否過大，加熱速度是否太慢。

通過上面的這個(gè)調(diào)試過程，我們可以看到P值主要可以用來調(diào)整系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但太大會(huì)增大超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間；而I值主要用來減小靜態(tài)誤差。

PID算法

控制點(diǎn)目前包含三種比較簡單的PID控制算法，分別是：增量式算法，位置式算法，微分先行。這三種是最簡單的基本算法，各有其特點(diǎn)，一般能滿足控制的大部份要求：

1、PID增量式算法

離散化公式(注：各符號(hào)含義如下)：

u(t)----- 控制器的輸出值。

e(t)----- 控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。

Kp------- 比例系數(shù)。

Ti------- 積分時(shí)間常數(shù)。

Td------- 微分時(shí)間常數(shù)。

T-------- 調(diào)節(jié)周期。

2、積分分離法

離散化公式：

Δu(t) = q0e(t) + q1e(t-1) + q2e(t-2)

當(dāng)|e(t)|≤β時(shí)

q0 = Kp(1+T/Ti+Td/T)

q1 = -Kp(1+2Td/T)

q2 = Kp Td /T

當(dāng)|e(t)|＞β時(shí)

q0 = Kp(1+Td/T)

q1 = -Kp(1+2Td/T)

q2 = Kp Td /T

u(t) = u(t-1) + Δu(t)

注：各符號(hào)含義如下

u(t)----- 控制器的輸出值。

e(t)----- 控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。

Kp------- 比例系數(shù)。

Ti------- 積分時(shí)間常數(shù)。

Td------- 微分時(shí)間常數(shù)。(有的地方用'Kd'表示)

T-------- 調(diào)節(jié)周期。

β------- 積分分離閾值

3、微分先行PID算法

離散化公式：

u(t)----- 控制器的輸出值。

e(t)----- 控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。

Kp------- 比例系數(shù)。

Ti------- 積分時(shí)間常數(shù)。

Td------- 微分時(shí)間常數(shù)。(有的地方用'Kd'表示)

T-------- 調(diào)節(jié)周期。

β------- 積分分離閾值

PID控制：

因?yàn)镻I系統(tǒng)中的I的存在會(huì)使整個(gè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到影響，為了解決這個(gè)問題，我們在控制中增加了D微分項(xiàng)，微分項(xiàng)主要用來解決系統(tǒng)的響應(yīng)速度問題，其完整的公式如下：

u(t) = Kp*e(t) + Ki∑e(t) + Kd[e(t) – e(t-1)]+u0

在PID的調(diào)試過程中，我們應(yīng)注意以下步驟：

1、 關(guān)閉I和D，也就是設(shè)為0.加大P，使其產(chǎn)生振蕩；

2、 減小P，找到臨界振蕩點(diǎn)；

3、 加大I，使其達(dá)到目標(biāo)值；

4、重新上電看超調(diào)、振蕩和穩(wěn)定時(shí)間是否吻合要求；

5、 針對超調(diào)和振蕩的情況適當(dāng)?shù)脑黾右恍┪⒎猪?xiàng)；

6、 注意所有調(diào)試均應(yīng)在最大爭載的情況下調(diào)試，這樣才能保證調(diào)試完的結(jié)果可以在全工作范圍內(nèi)均有效；

PID控制器參數(shù)整定

PID控制器參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心內(nèi)容。它是被控過程特性確定PID控制器比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間大小。

PID控制器參數(shù)整定方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主依據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所到計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接控制系統(tǒng)試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，工程實(shí)際中被廣泛采用。

PID控制器參數(shù)工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是試驗(yàn)，然后工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但采用哪一種方法所到控制器參數(shù)，都需要實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)一般采用是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行

PID控制器參數(shù)整定步驟如下：

(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短采樣周期讓系統(tǒng)工作；

(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；

(3)一定控制度下公式計(jì)算到PID控制器參數(shù)。

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總結(jié)

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