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PID控制原理

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天地我心 发表于 2019-9-7 12:14 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。PID控制,实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。2 O/ Q) V) T- F; X( q  |2tech.cn

" O/ `5 e: H$ A# O2 N比例(P)控制
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1 ^! y& Y/ C5 Q; J比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。5 V( Z1 y& {) W$ w; _7 Y2tech.cn
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积分(I)控制
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在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(System with Steady-state Error)。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
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. p9 B* r* F6 C5 v. q5 Y! Z0 }, s微分(D)控制
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: |# Y4 R& A4 V在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
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  Y) p; ^: m9 ~2 N9 D' S, p" Y1 Z- q在PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想的方法,但是在实际的应用中,更多的是通过凑试法来确定PID的参数。: y3 E& o2 h) ?$ A8 O2tech.cn

# |1 s/ T: I; T. j+ Z# h2 P增大比例系数P一般将加快系统的响应,在有静差的情况下有利于减小静差,但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调,并产生振荡,使稳定性变坏。
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# h" l& A6 }1 B" A4 b7 H增大积分时间I有利于减小超调,减小振荡,使系统的稳定性增加,但是系统静差消除时间变长。
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3 V$ [7 [5 k" r/ z! R& a增大微分时间D有利于加快系统的响应速度,使系统超调量减小,稳定性增加,但系统对扰动的抑制能力减弱。
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7 n1 l! H  ?. H" ~0 @) }# w6 ?在凑试时,可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势,对参数调整实行先比例、后积分,再微分的整定步骤。
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PID控制原理:
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6 Z, N6 f/ r/ ^, C# L- G3 i  }1、比例(P)控制 :比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
& T' A6 `6 x) w" ]  R% b1 A2 [" H5 W" F; ?2tech.cn
2、积分(I)控制 :在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。+ I) ~( d" i! A5 c' E2tech.cn
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3、微分(D)控制 :在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。; V4 l8 G/ N. N7 K2tech.cn
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PID控制器参数整定的一般方法:

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PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:3 O+ y; n, d+ {6 u" k2tech.cn
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一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改;
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7 R! M  n) Y( G+ C二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
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现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下:(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。4 l8 o# N8 O" Q, l" s' m- v7 i; w2tech.cn

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PID参数的设定
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是靠经验及工艺的熟悉,参考测量值跟踪与设定值曲线,从而调整P、I、D的大小。
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书上的常用口诀:
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' _7 |: S; `5 ?7 M8 f; J0 e2 I- t参数整定找最佳,从小到大顺序查;8 z8 f2 I" ^9 w5 n1 T8 M; T- R2tech.cn

' ]4 Z9 @) g7 X) `先是比例后积分,最后再把微分加;
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1 j# c1 T% j4 x8 a8 |% \  q, c' p7 G曲线振荡很频繁,比例度盘要放大;) z) p5 f/ e- h: ]2tech.cn
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曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳;
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1 U% e# o3 @4 U* ^3 u1 I) p+ d曲线偏离回复慢,积分时间往下降;, N, m- u8 j# v+ c2 e2tech.cn

" y: E9 H% x% y曲线波动周期长,积分时间再加长;# T& o5 [$ A0 O1 X2tech.cn
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曲线振荡频率快,先把微分降下来;
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动差大来波动慢。微分时间应加长;
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" \- S  ]5 {9 K. `, A$ N7 _% U理想曲线两个波,前高后低4比1;
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一看二调多分析,调节质量不会低。
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  f* J  A4 }! ^1 K' b  B' K7 Z个人认为PID参数的设置的大小,一方面是要根据控制对象的具体情况而定;另一方面是经验。P是解决幅值震荡,P大了会出现幅值震荡的幅度大,但震荡频率小,系统达到稳定时间长;I是解决动作响应的速度快慢的,I大了响应速度慢,反之则快;D是消除静态误差的,一般D设置都比较小,而且对系统影响比较小。
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PID参数怎样调整最佳
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3 z' T- p4 @" L: z1 g# B(1)整定比例控制) _. Q5 D2 o" ?8 H# c3 f+ @9 j9 d( [2tech.cn
将比例控制作用由小变到大,观察各次响应,直至得到反应快、超调小的响应曲线。
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; N/ p$ J% v+ G7 z(2)整定积分环节. |) _! ^$ ]( p2 U0 @. s6 V$ @- A; e, [2tech.cn
若在比例控制下稳态误差不能满足要求,需加入积分控制。
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# [# K" l8 S8 _9 Y/ t先将步骤(1)中选择的比例系数减小为原来的50~80%,再将积分时间置一个较大值,观测响应曲线。然后减小积分时间,加大积分作用,并相应调整比例系数,反复试凑至得到较满意的响应,确定比例和积分的参数。
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! c, Q, C( W) i% G+ {4 Y7 N1 }$ u5 G(3)整定微分环节
, D/ r' K$ b( d3 X若经过步骤(2),PI控制只能消除稳态误差,而动态过程不能令人满意,则应加入微分控制,构成PID控制。先置微分时间TD=0,逐渐加大TD,同时相应地改变比例系数和积分时间,反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。
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