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、微分控制隐鬼，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)型吃。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單腌径、穩(wěn)定性好栗雳、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要技術(shù)之一笔骏。當(dāng)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握是临，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)室拿，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(chǎng)調(diào)試來(lái)確定兆又，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(duì)象﹐或不能有效測(cè)量手段來(lái)獲系統(tǒng)參數(shù)時(shí)磺穷，最適合用PID控制技術(shù)陈莽。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制虽抄。PID控制器就是系統(tǒng)誤差走搁，利用比例、積分迈窟、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制私植。

1.比例控制(P)

比例控制是最常用的控制手段之一，比方說(shuō)我們控制一個(gè)加熱器的恒溫100度车酣，當(dāng)開始加熱時(shí)曲稼，離目標(biāo)溫度相差比較遠(yuǎn)，這時(shí)我們通常會(huì)加大加熱湖员，使溫度快速上升贫悄，當(dāng)溫度超過100度時(shí)，我們則關(guān)閉輸出娘摔，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(duì)象使用比例控制方式就可以滿足控制要求清女，但很多被控對(duì)象中因?yàn)橛袦笮浴Ｒ簿褪侨绻O(shè)定溫度是200度晰筛，當(dāng)采用比例方式控制時(shí)嫡丙，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后镐怔，溫度仍然會(huì)止不住的向上爬升忠帝，比方說(shuō)升至230度侣赘，當(dāng)溫度超過200度太多后又開始回落，盡管這時(shí)輸出開始出力加熱涝猩，但溫度仍然會(huì)向下跌落一定的溫度才會(huì)止跌回升频澜，比方說(shuō)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)行振蕩期司。如果這個(gè)振蕩的幅度是允許的比方說(shuō)家用電器的控制试授，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(duì)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)行控制闭廊，也就是PI控制辈畜。

其公式有很多種，但大多差別不大典义，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)歷史誤差的累積值洽腊，如果光用比例控制時(shí)，我們知道要不就是達(dá)不到設(shè)定值要不就是振蕩藕各，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)誤差問題池摧，比方說(shuō)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(lái)越大京革，這個(gè)累積值乘上Ki后會(huì)在輸出的比重中越占越多秒聪，使輸出u(t)越來(lái)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值放至比較大代咸，當(dāng)出現(xiàn)穩(wěn)定振蕩時(shí)，我們?cè)贉p小P值直到P值不振蕩或者振蕩很小為止(術(shù)語(yǔ)叫臨界振蕩狀態(tài))成黄，在有些情況下呐芥，我們還可以在些P值的基礎(chǔ)上再加大一點(diǎn)。

2奋岁、加大I值思瘟，直到輸出達(dá)到設(shè)定值為止。

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

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(lái)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(lái)減小靜態(tài)誤差冕盅。

pid 算法

控制點(diǎn)目前包含三種比較簡(jiǎn)單的PID控制算法漆逐，分別是：增量式算法，位置式算法宇颊，微分先行撬替。這三種是最簡(jiǎn)單的基本算法，各有其特點(diǎn)传悍，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)----- 控制器的輸出值梦柬。

e(t)----- 控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。

Kp------- 比例系數(shù)幻狈。

Ti------- 積分時(shí)間常數(shù)磺送。

Td------- 微分時(shí)間常數(shù)。

T-------- 調(diào)節(jié)周期屈尼。

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)定值之間的誤差拴孤。

Kp------- 比例系數(shù)脾歧。

Ti------- 積分時(shí)間常數(shù)。

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

T-------- 調(diào)節(jié)周期鞭执。

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)定值之間的誤差芒粹。

Kp------- 比例系數(shù)兄纺。

Ti------- 積分時(shí)間常數(shù)。

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

T-------- 調(diào)節(jié)周期估脆。

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)問題座云，我們?cè)诳刂浦性黾恿薉微分項(xiàng)疙赠，微分項(xiàng)主要用來(lái)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)試過程中离春，我們應(yīng)注意以下步驟：

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

2)減小P集圈，找到臨界振蕩點(diǎn);

3)加大I络蜘，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(duì)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(zhēng)載的情況下調(diào)試恩奢，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)容与沪。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)整定方法很多吹对，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法邀曲。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)暮戏。這種方法所到計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用撕拇，還必須工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法垃散，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)豌熄，直接控制系統(tǒng)試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單物咳、易于掌握锣险，工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)工程整定方法览闰，主要有臨界比例法芯肤、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)压鉴，其共同點(diǎn)都是試驗(yàn)崖咨，然后工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)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)油吭，都需要實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善』鞫祝現(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)婉宰，直到系統(tǒng)對(duì)輸入階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩歌豺，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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