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三大招,帮助你掌握PID算法及参数整定(上)

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eefishing 发布时间:2020-1-10 16:22
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( M' e8 u2 c6 d" M: ?在过程控制中,按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单,易于实现,适用面广,控制参数相互独立,参数的选定比较简单等优点;而且在理论上可以证明,对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象,PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法,它的参数整定方式简便,结构改变灵活(PI、PD、…)。
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  z$ Q2 ^7 e7 T+ ]! H) F; _

% j- C, b3 P# x$ r7 Q: @PID是闭环控制算法
' t( l, H. ~" Z& Q
因此要实现PID算法,必须在硬件上具有闭环控制,就是得有反馈。比如控制一个电机的转速,就得有一个测量转速的传感器,并将结果反馈到控制路线上,下面也将以转速控制为例。
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0 H1 X/ `9 R; N; o, x/ L
PID是比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法9 K1 L& u& K1 w: l; {- q4 Z
但并不是必须同时具备这三种算法,也可以是PD,PI,甚至只有P算法控制。我以前对于闭环控制的一个最朴素的想法就只有P控制,将当前结果反馈回来,再与目标相减,为正的话,就减速,为负的话就加速。现在知道这只是最简单的闭环控制算法。
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PID控制器结构
4 c) c4 J& k0 v" m  Z
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PID控制系统原理结构框图
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对偏差信号进行比例、积分和微分运算变换后形成一种控制规律。“利用偏差,纠正偏差”。
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4 Y5 U. R; o1 B' I6 N模拟PID控制器" V9 R7 b' Q! p; w8 }
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模拟PID控制器结构图5 D  Y3 t7 ^: o
PID控制器的输入输出关系为:
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8 k, S2 R/ V9 P% A; l  b7 ?! h+ I3 d- G
比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法各有作用5 f( J/ J/ z; \' R0 q) H
比例,反应系统的基本(当前)偏差e(t),系数大,可以加快调节,减小误差,但过大的比例使系统稳定性下降,甚至造成系统不稳定;
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1 U* _9 a. l9 J# ^' F, ?7 X积分,反应系统的累计偏差,使系统消除稳态误差,提高无差度,因为有误差,积分调节就进行,直至无误差;
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( O1 ^# f) a% P, k
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微分,反映系统偏差信号的变化率e(t)-e(t-1),具有预见性,能预见偏差变化的趋势,产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除,因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用,加强微分对系统抗干扰不利。 积分和微分都不能单独起作用,必须与比例控制配合。
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4 L( d8 J% E& T  ~9 C2 F- i
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控制器的P,I,D项选择
9 t$ R/ ?  L% _8 W/ n! F
下面将常用的各种控制规律的控制特点简单归纳一下:
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(1)、比例控制规律P:采用P控制规律能较快地克服扰动的影响,它的作用于输出值较快,但不能很好稳定在一个理想的数值,不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响,但有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。如:金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水池水位控制;油泵房中间油罐油位控制等。
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2 a* }  b: R: ]9 K- ?) J(2)、比例积分控制规律(PI):在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差,它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。如:在主线窑头重油换向室中F1401到F1419号枪的重油流量控制系统;油泵房供油管流量控制系统;退火窑各区温度调节系统等。
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  h+ f0 c$ C, O& c+ C(3)、比例微分控制规律(PD):微分具有超前作用,对于具有容量滞后的控制通道,引入微分参与控制,在微分项设置得当的情况下,对于提高系统的动态性能指标,有着显著效果。因此,对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合,为了提高系统的稳定性,减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。如:加热型温度控制、成分控制。需要说明一点,对于那些纯滞后较大的区域里,微分项是无能为力,而在测量信号有噪声或周期性振动的系统,则也不宜采用微分控制。如:大窑玻璃液位的控制。4 [9 Q" s; G( E) z. R% g
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! f  Q2 u! P" ~(4)、例积分微分控制规律(PID):PID控制规律是一种较理想的控制规律,它在比例的基础上引入积分,可以消除余差,再加入微分作用,又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制等。
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鉴于D规律的作用,我们还必须了解时间滞后的概念,时间滞后包括容量滞后与纯滞后。其中容量滞后通常又包括:测量滞后和传送滞后。测量滞后是检测元件在检测时需要建立一种平衡,如热电偶、热电阻、压力等响应较慢产生的一种滞后。而传送滞后则是在传感器、变送器、执行机构等设备产生的一种控制滞后。纯滞后是相对与测量滞后的,在工业上,大多的纯滞后是由于物料传输所致,如:大窑玻璃液位,在投料机动作到核子液位仪检测需要很长的一段时间。
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总之,控制规律的选用要根据过程特性和工艺要求来选取,决不是说PID控制规律在任何情况下都具有较好的控制性能,不分场合都采用是不明智的。如果这样做,只会给其它工作增加复杂性,并给参数整定带来困难。当采用PID控制器还达不到工艺要求,则需要考虑其它的控制方案。如串级控制、前馈控制、大滞后控制等。
9 y2 `1 O, x! @3 E3 P2 ^  n' t0 c( `  }% y( }; K7 {

! q1 a! r; f% p: G% d0 LKp,Ti,Td三个参数的设定是PID控制算法的关键问题。一般说来编程时只能设定他们的大概数值,并在系统运行时通过反复调试来确定最佳值。因此调试阶段程序须得能随时修改和记忆这三个参数。
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$ C. ^3 A7 O- @2 O8 @数字PID控制器) @3 @. X2 J4 K! t( z$ E' Z0 d
(1)模拟PID控制规律的离散化; M& X- N( @' d6 ~9 {0 b$ x
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$ d  J, M) j2 R7 V3 F
(2)数字PID控制器的差分方程) m( m4 p. n6 E) u, Y; W( @9 K. z
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3 d! `' k) ?7 l2 H) {+ T
收藏 1 评论1 发布时间:2020-1-10 16:22

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1个回答
happyavr128 回答时间:2020-2-5 17:14:13
学习了

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