《PID功能详解及PWM波的产生和PWM波形生成原理》由会员分享,可在线阅读,更多相关《PID功能详解及PWM波的产生和PWM波形生成原理(27页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、PID 功能详解一、PID 控制简介PID( Proportional Integral Derivative)控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高,被广泛应用于工业过程控制,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。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,它实际上是一种算法。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
2、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。从信号变换的角度而言,超前校正、滞后校正、滞后超前校正可以总结为比例、积分、微分三种运算及其组合。PID 调节器的适用范围:PID 调节控制是一个传统控制方法,它适用于温度、压力、流量、液位等几乎所有现场,不同的现场,仅仅是 PID 参数应设置不同,只要参数设置得当均可以达到很好的效
3、果。均可以达到0.1%,甚至更高的控制要求。PID 控制的不足1. 在实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定,难以建立精确的数学模型,常规的 PID 控制器不能达到理想的控制效果;2. 在实际生产现场中,由于受到参数整定方法烦杂的困扰,常规 PID 控制器参数往往整定不良、效果欠佳,对运行工况的适应能力很差。二、PID 控制器各校正环节任何闭环控制系统的首要任务是要稳(稳定) 、快(快速) 、准(准确)的响应命令。PID 调整的主要工作就是如何实现这一任务。增大比例系数 P 将加快系统的响应,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
4、余差出现,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。积分能在比例的基础上消除余差,它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整,减小稳态误差。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,它可以使系统超调量减小,稳定性增加,动态误差减小。综上所述,P比例控制系统的响应快速性,快速作用于输出,好比现在(现在就起作用,快) ,I积分控制系统的准确性,消除过去的累积误差,好比过 去(清除过去积怨,回到准确轨道) ,D微分控制系统的稳定性,具有超前控制作用,好比未来(放眼未来,未雨绸缪,稳定才能发
5、展) 。当然这个结论也 不可一概而论,只是想让初学者更加快速的理解 PID 的作用。在调整的时候,你所要做的任务就是在系统结构允许的情况下,在这三个参数之间权衡调整,达到最佳控制效果,实现稳快准的控制特点。比例控制可快速、及时、按比例调节偏差,提高控制灵敏度,但有静差,控制精度低。积分控制能消除偏差,提高控制精度、改善稳态性能,但易引起震荡,造成超 调。微分控制是一种超前控制,能调节系统速度、减小超调量、提高稳定性,但其时间常数过大会引入干扰、系统冲击大,过小则调节周期长、效果不显著。比例、 积分、微分控制相互配合,合理选择 PID 调节器的参数,即比例系数 KP、积分时间常数 i 和微分时间
6、常数 D,可迅速、准确、平稳的消除偏差,达到良好的 控制效果。1. 比例环节成比例地反映控制系统的偏差信号 e(t),偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减小偏差。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error) 。P 参数越小比例作用越强,动态响应越快,消除误差的能力越强。但实际系统是有惯性的,控制输出变化后,实际 y(t)值变化还需等待一段时间才会缓慢变化。 由于实际系统是有惯性的,比例作用不宜太强,比例作用太强会引起系统振荡不稳定。P 参数的大小应在以上定量计算的基础上根据系统响应情况,现场调试决定, 通常将 P 参数由大向小调,以能达到最快响应又无超调(
7、或无大的超调)为最佳参数。优点:调整系统的开环比例系数,提高系统的稳态精度,减低系统的惰性,加快响应速度。缺点:仅用 P 控制器,过大的开环比例系数不仅会使系统的超调量增大,而且会使系统稳定裕度变小,甚至不稳定。2. 积分环节控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 T,T 越大,积分作用越弱,反之则越强。为什么要引进积分作用?比例作用的输出与误差的大小成正比,误差越大,输出越大,误差越小,输出越小,误差为零,输出为零。由于没有误差时输出为零,因此比例调节不可能完全消除误差,不可能使被控的 PV 值达到给定值。必须存在一个
8、稳定的误差,以维持一个稳定的输出,才能使系统的 PV 值保持稳定。这就是通常所说的比例作用是有差调节,是有静差的,加强比例作用只能减少静差,不能消除静差(静差:即静态误差,也称稳态误差)。为了消除静差必须引入积分作用,积分作用可以消除静差,以使被控的y(t)值最后与给定值一致。引进积分作用的目的也就是为了消除静差,使 y(t)值达到给定值,并保持一致。积分作用消除静差的原理是,只要有误差存在,就对误差进行积分,使输出继续增大或减小,一直到误差为零,积分停止,输出不再变化,系统的 PV 值保持稳定,y(t)值等于 u(t)值,达到无差调节的效果。但由于实际系统是有惯性的,输出变化后,y(t)值不
9、会马上变化,须等待一段时间才缓慢变化,因此积分的快慢必须与实际系统的惯性相匹配,惯性大、积分作 用就应该弱,积分时间 I 就应该大些,反之而然。如果积分作用太强,积分输出变化过快,就会引起积分过头的现象,产生积分超调和振荡。通常 I参数也是由大往 小调,即积分作用由小往大调,观察系统响应以能达到快速消除误差,达到给定值,又不引起振荡为准。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
10、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。PI 控制器不但保持了积分控制器消除稳态误差的“记忆功能” ,而且克服了单独使用积分控制消除误差时反应不灵敏的缺点。优点:消除稳态误差。缺点:积分控制器的加入会影响系统的稳定性,使系统的稳定裕度减小。3. 微分环节反映偏差信号的变化趋势,并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。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
11、关系。为什么要引进微分作用?前面已经分析过,不论比例调节作用,还是积分调节作用都是建立在产生误差后才进行调节以消除误差,都是事后调节,因此这种调节对稳态来说是无差的,对动态来说肯定是有差的,因为对于负载变化或给定值变化所产生的扰动,必须等待产生误差以后,然后再来慢慢调节予以消除。但一般的控制系统,不仅对稳定控制有要求,而且对动态指标也有要求,通常都要求负载变化或给定调整等引起扰动后,恢复到稳态的速度要快,因此光有比例和积 分调节作用还不能完全满足要求,必须引入微分作用。比例作用和积分作用是事后调节(即发生误差后才进行调节),而微分作用则是事前预防控制,即一发现 y(t)有变大或变小的趋势,马上
12、就输出一个阻止其变化的控制信号,以防止出现过冲或超调等。D 越大,微分作用越强,D 越小,微分作用越弱。系统调试时通常把 D 从小往大调,具体参数由试验决定。如:由于给定值调整或负载扰动引起 y(t)变化,比例作用和微分作用一定等到 y(t)值变化后才进行调节,并且误差小时,产生的比例和积分调节作用也小, 纠正误差的能力也小,误差大时,产生的比例和积分作用才增大。因为是事后调节动态指标不会很理想。而微分作用可以在产生误差之前一发现有产生误差的趋势就 开始调节,是提前控制,所以及时性更好,可以最大限度地减少动态误差,使整体效果更好。但微分作用只能作为比例和积分控制的一种补充,不能起主导作用,微
13、分作用不能太强,太强也会引起系统不稳定,产生振荡,微分作用只能在 P 和 I 调好后再由小往大调,一点一点试着加上去。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
14、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。PD 控制只在动态过程中才起作用,对恒定稳态情况起阻断作用。因此,微分控制在任何情况下都不能单独使用。优点:使系统的响应速度变快,超调减小,振荡减轻,对动态过程有“预测”作用。在低频段,主要是 PI 控制规律起作用,提高系统型别,消除或减少稳态误差;在中高频段主要是 PD 规律起作用,增大截止频率和相角裕度,提高响应速度。因此,控制器可以全面地提高系统的控制性能。三、PID 控制器的参数整定 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
15、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:1. 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。2. 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
16、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。PID 调试一般原则a.在输出不振荡时,增大比例增益 P。b.在输出不振荡时,减小积分时间常数 Ti。c.在输出不振荡时,增大微分时间常数 Td。PID 调试一般步骤a. 确定比例增益 P确定比例增益 P 时,首先去掉 PID 的积分项和微分项,一般是令Ti=0、Td=0(具体见 PID 的参数设定说明) ,使 PID 为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的 60%70%,由0逐渐加大比例增益 P,直至系统出现振荡;再反过来,从此时的比例增益 P 逐渐减小,直至系统振荡消失,记录此时的比例增益 P,设定 PID 的比例增益 P 为当前值的60%70%。比例增益 P 调试完成。b. 确定积分时间常数 T