pid控制原理

pid控制原理 PID控制概述 1.PID控制的原理和特点: 在 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 实践中，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，控制理论的其他技术难以采用时，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，最合适用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。 二、控制算法 2.1 控制器公式 连续时间PID控制系统如下图所示。图中D(s)为控制器。在PID控制系统中，D(s)完成PID控制规律，称为PID控制器。PID控制器是一种线性控制器，用输出量y(t)和给定量r(t)之间的误差时间函数e(t)=r(t)-y(t)的比例、积分、微分的线性组合，构成控制量u(t)，称为比例(Proportional)、积分(Integrating)、微分(Differentiation)控制，简称PID控制。 实际应用中，可以根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活地采用不同的控制组合，构成: u(t),Ke(t)比例(P)控制器: (3-1)P t1u(t),K[e(t)，e(,)d,]比例+积分(PI)控制器: (3-2),0TI 比例+积分+微分(PID)控制器: tdet1() (3-3)utKetedT(),[()，(,),，]PD,0TdtI 式中，K——比例放大系数;T——积分时间;T——微分时间 pID 2.2 位置式PID控制算法: 在电子数字计算机直接数字控制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。计算机直接数字控制系统大多数是采样-数据控制系统。进入计算机的连续-时间信号，必须经过采样和数量化后，变成数字量，方能进入计算机的存储器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算法去逼近。 在数字计算机中，PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续时间PID算法的微分方程，变为描述离散时间PID算法的差分方程。 下图即为位置是算法框图: 考虑式(3-3)，用矩阵积分时，有 ktT1se(,)d,,e(j) (3-4) ,,0TT,0jIi 用差分代替微分 Tde(t)DT,[e(k),e(k,1)] (3-5)ddtTS 将式(3-4)、(3-5)代入式(3-3)，PID算法变为 kTTSDu(k),K[e(k)，e(j)，(e(k),e(k,1))]，u (3-6),P0TT,j0IS 或 k u(k),Ke(k)，Ke(j)，K(e(k),e(k,1))]，u (3-7),PID0,j0 式中 -----------控制量的基值，即K=0时的控制值; u0 -------第K个采样时刻的控制值; u(k) --------比例放大系数; KP KTPS -------积分放大系数，; K,KIPTI KTPD ------微分放大系数，; K,KDDTS -------采样周期。 TS 式(3-7)是数字PID算法的非递推形式，称全量算法。算法中，为了求和，必须将系统偏差的全部过去值e(j)(j=1,2,3,…,k)都存储器来。这种算法得出控制量的全量输出u(k)，是控制量的绝对数值。在控制系统中，这种控制量确定了执行机构的位置，例如在阀门控制中，这种算法的输出对应了阀门的位置(开度)。所以，将这种算法成为“位置算法”。 2.3 增量式控制算法: 当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而使控制量的增量(例如去驱动步进电机)时，需要PID的“增量算法”。 由位置算法求出 k u(k),Ke(k)，Ke(j)，K(e(k),e(k,1))]，u,PID0 j0, 再求出 k1, u(k,1),Ke(k,1)，Ke(j)，K(e(k,1),e(k,2))]，u ,PID0j0, 两式相减，得出控制量的增量算法 TTSD,u(k),u(k),u(k,1),K{e(k),e(k,1)，e(k)，[(e(k),2e(k,1)，e(k,2)]}PTTIS (3-8) 式(3-8)称为增量式PID算法。 对增量式PID算法(3-8)归并后，得 (3-9),u(k),qe(k)，qe(k,1)，qe(k,2)012 其中 TTSD q,K，，[1]0PTTIS TD q,,K，[12]1PTS TD q,KP0TS (3-9)已看不出是PID的表达式了，也看不出P、I、D作用的直接关系，只表示了各次误差量对控制作用的影响。从式(3-9)看出，数字增量式PID算法，只要储存最近的三个误差采样值e(k)、e(k-1)、e(k-2)就足够了。 三、PID参数对控制精度的影响 比例作用P只与偏差成正比;积分作用I是偏差对时间的积累;微分作用D是偏差的 变化率。 自动调节系统中当干扰出现时微分D立即起作用，P随偏差的增大而明显起来，两者首先起克服偏差的作用，而被控量在新值上稳定，此稳定值与设定值只差叫余差，而I随时间增加逐渐增强，直至克服掉余差，使被控量重新返回设定值上来。 比例(P)控制: 比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。只有比例运算规律的调节器为P调节器(当调节器无积分作用或无微分作用时)，此时比例作用T,,T,0ID 及时迅速，这是它的一个显著特点，但是这种调节器用在控制系统中，会使系统出现余差，为了减少余差，可以增大K，K愈大余差愈小;但K增大将使系统的稳定性变差，容PPP 易产生振荡。一般用在干扰较小，允许有余差的系统中。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)。 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系统或简称有差系统(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，他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。由于积分作用输出随时间积累而逐渐增大，故调节作用缓慢，这样会造成调节不及时，使系统稳定裕度下降。因此积分作用一般不单独作用，而是与比例作用组合起来构成PI调节器，用于控制系统中。 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(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。解决的变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”作用往往是不够的，比例项的作用仅仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的就是“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。 比例积分(PI)控制: 具有比例积分运算规律的调节器为PI调节器(当调节器无微分作用时)。只要T,0D有偏差存在，积分作用的输出就会随时间不断变化，直到偏差消除，调节器的输出才会稳定下来，这就是积分作用能消除余差的原因。积分作用输出变化的快慢与输入偏差e的大小成正比，而与积分时间成反比，愈短积分速度愈快，积分作用愈强。TTII 应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数，积分时间和微分时间，使整KTTPDI 个控制系统得到良好的性能。 四、PID参数整定 4.1 PID参数的整定 数字PID控制器控制参数的选择，可按连续时间PID参数整定方法进行。在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差(或稳态误差)的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象，往往都加入微分控制。 选择参数:控制器结构确定之后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并且平滑跟踪，超调量小;在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值;当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些事矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。 PID控制器的参数整定是控制系统的核心内容。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: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使用，还必须通过工程实践进行调整和修改。 二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的实验中进行，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和完善。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 新产品开发流程的步骤课题研究的五个步骤成本核算步骤微型课题研究步骤数控铣床操作步骤 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 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 下通过公式计算得到PID控制器的参数。 PID控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。 4.2 采样周期的选择 采样周期:采样一数据控制系统中，设采样周期为，采样速率为，采样角1/TTTSSS 频率为。采样周期是 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 者要精心选择的重要参数，系统的性能与采样周,,2,/TTSSS 期的选择有密切的关系。 考虑因素:采样周期的选择受多方面因素的影响，主要考虑的因素 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 如下。 (1)香农(Shannon)采样定理 , (——被采样信号的上限角频率),T,Smax,max 给出了采样周期的上限。满足这一定理，采样信号方可恢复或近似恢复为原模拟信号，而不丢失主要信息。在这个限制范围内，采样周期越小，采样-数据控制系统的性能越接近于连续时间控制系统。 (2)闭环系统对给定信号的跟踪，要求采样周期要小。 (3)从抑制扰动的要求来说，采样周期应该选择得小些。 (4)从执行元件的要求来看，有时要求输入控制信号要保持一定的宽度。 (5)从计算机精度考虑，采样周期不宜过短。 (6)从系统成本上考虑，希望采样周期越长越好。 综合上述各因素，选择采样周期，应在满足控制系统的性能要求的条件下，尽可能地选择低的采样速率。 工业控制中，大量的受控对象都具有低通的性质。下面图给出了选择采样周期的经验。 下表给出了常用被控量的经验采样周期 采样周期的选择，要根据所设计的系统的具体情况，用试凑的方法，在试凑过程中根据这种合理的建议来预选采样周期，多次试凑，选择性能较好的一个作为最后的采样周期。 4.3 PID调整口诀 PID调节器实际是一个放大系数可自动调节的放大器，动态时，放大系数较低，是为了防止系统出现超调与振荡。静态时，放大系数较高，可以捕捉到小误差信号，提高控制精度。 PID参数的设定: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。 PID控制器参数的工程整定，各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照: 温度T:P=20~60%，I=180~600s，D=3~180s 压力P:P=30~70%，I=24~180s 液位L:P=20~80%，I=60~300s 流量L:P=40~100%，I=6~60s 书上的常用口诀: 参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来 差动大来波动慢，微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低4比1