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1、第四章第四章 PID PID微机控制微机控制 4.1 PID4.1 PID控制器数字化控制器数字化 4.2 PID4.2 PID算法算法优化化4.3 PID4.3 PID参数整定方法参数整定方法4.4 PID4.4 PID控制系控制系统实例例 4.1 PID4.1 PID控制器数字化控制器数字化模模拟PIDPID控制器控制器PIDPID控制器的理想化方程控制器的理想化方程为： PID PID调节器器: :按偏差的比例，按偏差的比例，积分和微分分和微分进行控制的行控制的调节器。器。 式中，式中，e e( (t t) )为控制器控制器输入信号，一般入信号，一般为输入信号与反入信号与反馈信号之差；信
2、号之差；u u( (t t) )为控制器控制器输出信号，一般出信号，一般为给予受控予受控对象的控制信号；象的控制信号；K Kp p为控控制器放大系数；制器放大系数；T Ti i为控制器控制器积分分时间常数；常数；T Td d为控制器微分控制器微分时间常常数。数。4.1.2 PID4.1.2 PID控制算法的数字控制算法的数字实现l计算机控制是一种采算机控制是一种采样控制，它只能根据采控制，它只能根据采样时刻的刻的误差差值计算控制算控制变量量u u。因此模。因此模拟PIDPID控制算法公式中的控制算法公式中的积分分项和微分和微分项不能直接准确不能直接准确计算，只能用数算，只能用数值计算的方法逼近
3、。算的方法逼近。单片微机片微机闭环控制系控制系统框框图当采当采样时间T T很小很小时，可以通，可以通过离散化，将离散化，将这一方程直接化一方程直接化为差分差分方程。用一方程。用一阶差分代替一差分代替一阶微分，用累加代替微分，用累加代替积分。分。这时可用矩形可用矩形或梯形或梯形积分来分来连续积分的近似分的近似值。用矩形。用矩形积分分时得：得：位置算法位置算法 k k-1-1次采次采样的的输出出为: :式中式中 : : k k次采次采样的的输出出为: :两式相减两式相减增量式控制的增量式控制的优点：点：（1 1）计算机只算机只输出增量，出增量，误差差动作影响小。作影响小。（2 2）算式中不需要累加
4、，增量字与最近几次采）算式中不需要累加，增量字与最近几次采样值有关。有关。（3 3）任何故障，或者切）任何故障，或者切换时，冲，冲击小小 。位置式或增量式算法框位置式或增量式算法框图增量式增量式PIDPID算法算法 增量式增量式PIDPID控制：只控制：只计算控制量的算控制量的变化量。化量。 增量式增量式PIDPID算法算法如果用梯形如果用梯形积分形式逼近分形式逼近连续积分，分，则得得减去相减去相应的的u u( (k k-1)-1)后，又得到一个如下的后，又得到一个如下的递推关系式：推关系式：式中：式中： 因此，如果已知模因此，如果已知模拟PIDPID控制器参数控制器参数K Kp p，T Ti
5、 i和和T Td d，那么在采，那么在采样时间很很短的情况下，可以从短的情况下，可以从K Kp p，T Ti i和和T Td d计算出参数算出参数q q0 0，q q1 1和和q q2 2。4.2 PID4.2 PID算法算法优化化4.2.1 PID4.2.1 PID积分分离控制分分离控制 在一般的在一般的PIDPID控制方式中，在开始或停止工作的瞬控制方式中，在开始或停止工作的瞬间，或者大幅度地或者大幅度地给定量定量时，由于偏差，由于偏差较大，故在大，故在积分分项的作用的作用下，将会下，将会产生一个很大的超生一个很大的超调。积分分离作用曲分分离作用曲线比比较4.2 PID4.2 PID算法算
6、法优化化可以采用可以采用积分分离手段，即在被控制量开始跟踪分分离手段，即在被控制量开始跟踪时，取消，取消积分分作用，直到被控制量接近新的作用，直到被控制量接近新的给定定值时，才可以在，才可以在PIDPID算式中，算式中，引入如下的算法引入如下的算法逻辑功能。功能。K Ki i为引入的引入的逻辑系数：系数：可可变增量增量PIDPID控制控制可可变增益增益PIDPID控制器可等效。控制器可等效。 PID PID u=fu=f( (e e) )mm m m（t t） 工工业控制系控制系统有有时会提出会提出这样的要求，的要求，PIDPID算法的增益是可算法的增益是可变的，以的，以补偿手手控控过程的非程
7、的非线性因素。性因素。4 4控制算法控制算法为：e e（t t）u u（t t）可可变增益增益PIDPID方框方框图l 其其结构构图相当于相当于PIDPID控制器再控制器再串串联一个非先性函数部分。一个非先性函数部分。实现可可变增益增益PIDPID算法的程序流程算法的程序流程图。所示由于微机所示由于微机实现非非线性算法十性算法十分方便。因此得到了广泛分方便。因此得到了广泛应用。用。l 自适自适应控制理控制理论的的发展也相展也相应的促的促进了了PIDPID控制器的控制器的应用。用。这种控制器能种控制器能够适适应受控受控对象特性象特性大范大范围的的变化。化。 可可变增量增量PIDPID控制控制图4
8、.5 4.5 可可变增益增益PIDPID算法程序流程算法程序流程图时间最最优的的PIDPID控制控制时间最最优控制又称快速控制，既控制系控制又称快速控制，既控制系统的的给定定值由一个状由一个状态运运动到另一个状到另一个状态所所经历的的过渡渡时间最短。最短。状状态向量；向量； 控制向量；控制向量； 输出向量；出向量； A A、B B、C C常数矩常数矩阵； 由初始状由初始状态X X（t t）= =X X0 0，到，到终端状端状态X X=0=0的的时间最短，即最短，即 （ 约束条件：束条件： ） 所要求的最所要求的最优控制作用是控制作用是 =1=1 （ i= 1 i= 1，2 2， ） 对于一个于
9、一个n n阶的系的系统，要，要实现上述控制目上述控制目标，至多开关（，至多开关（n n-1-1）次。）次。 在工在工业自自动化化应用中，最有用中，最有发展前途的是展前途的是Bang-BangBang-Bang与反与反馈控制相控制相结合的控合的控 制系制系统，即，即图4.6 4.6 复式快速控制流程复式快速控制流程图Bang-BangBang-Bang与反与反馈控制相控制相结合的控制系合的控制系统，即，即 时间最最优的的PIDPID控制控制智能智能PID控制控制lPIDPID控制器控制器结构构简单而能而能满足大量工足大量工业过程的要求程的要求, ,且具有且具有一定的一定的鲁棒性等特点。然而棒性等
10、特点。然而, ,现代的工代的工业控制控制过程中程中, ,许多多被控被控对象机理复象机理复杂, ,它不它不仅表表现在控制系在控制系统具有多具有多输入多入多输出的出的强耦合性、参数耦合性、参数时变性和性和严重的非重的非线性特性性特性, ,更突更突出的是从系出的是从系统对象所能象所能获得的知得的知识信息量相信息量相对地减少以及地减少以及与此相反地与此相反地对控制性能的要求却日益提高。控制性能的要求却日益提高。l智能控制与常智能控制与常规PIDPID控制相控制相结合合, ,形成所形成所谓智能智能PIDPID控制。控制。它具有不依它具有不依赖系系统精确数学模型的特点精确数学模型的特点, ,对系系统的参数
11、的参数变化具有化具有较好的好的鲁棒性。模糊控制、神棒性。模糊控制、神经网网络控制和控制和专家控家控制是目前智能控制研究中最制是目前智能控制研究中最为活活跃的的领域域, ,本文就其本文就其组成成的几种典型智能的几种典型智能PIDPID控制系控制系统的基本的基本结构、原理及特点分构、原理及特点分别给以介以介绍。1. 1. 模糊模糊PIDPID控制控制l模糊控制系模糊控制系统是以模糊数学、模糊是以模糊数学、模糊语言形式的知言形式的知识表示和表示和模糊模糊逻辑的的规划推理划推理为理理论基基础, ,采用采用计算机控制技算机控制技术构构成的一种具有反成的一种具有反馈通道的数字控制系通道的数字控制系统。它的
12、。它的组成核心是成核心是具有智能性的模糊控制器。具有智能性的模糊控制器。l模糊控制器是一种新型控制器模糊控制器是一种新型控制器, ,其其优点是不要求掌握受控点是不要求掌握受控对象的数学模型象的数学模型, ,而根据人工控制而根据人工控制规划划组织控制决策表控制决策表, ,然然后由后由该表决定控制量的大小。表决定控制量的大小。l该模糊控制和模糊控制和PIDPID控制两者控制两者结合起来合起来, ,扬长避短避短, ,既具有模既具有模糊控制的灵活、适糊控制的灵活、适应性性强的的优点点, ,又具有又具有PIDPID控制精度高的控制精度高的特点。特点。l为了改善模糊控制器的了改善模糊控制器的稳态性能性能,
13、 ,通常在模糊控制器中引通常在模糊控制器中引入模糊入模糊积分，下面介分，下面介绍两种模糊两种模糊PIDPID控制器：控制器：(1)(1)混合型模糊混合型模糊PIDPID控制器控制器 l模糊控制器模糊控制器结构是由一个常构是由一个常规积分控制器和一个二分控制器和一个二维模糊模糊控制器相并控制器相并联而构成的。常而构成的。常规PIPI控制器控制器输出出为UiUi和二和二维模模糊控制器糊控制器输出量出量UfUf相叠加相叠加, ,作作为混合型模糊混合型模糊PIDPID控制器的控制器的总输出出, ,即即U=Ui+Uf,U=Ui+Uf,可使系可使系统成成为无差模糊控制系无差模糊控制系统。混合型模糊PID控
14、制器(2) (2) 误差差e e模糊模糊积分的分的PIDPID模糊控制器模糊控制器l它是一种它是一种对误差差e e的模糊的模糊值进行行积分的分的PIDPID控制器控制器, ,这种种对误差差e e的模的模糊糊值进行行积分的分的PIDPID模糊控制器可用来消除大的系模糊控制器可用来消除大的系统余差。余差。l采用采用对被控被控对象的在象的在线辨辨识, ,然而根据一定的控制要求或目然而根据一定的控制要求或目标函数函数, ,对PIDPID控制器的控制器的3 3个参数个参数( (Kp,Ki,KdKp,Ki,Kd) )进行在行在线调整。此外用整。此外用计算机最算机最优化方法化方法寻求最佳求最佳PIDPID参
15、数等方法。参数等方法。l一种用模糊控制器一种用模糊控制器对KpKp、TiTi、TdTd 3 3个参数个参数进行在行在线调整的整的“PID“PID自自调整模糊控制器整模糊控制器”。模糊控制系。模糊控制系统的控制的控制质量量, ,主要取决于模糊控制器主要取决于模糊控制器规划的建立和模糊关系的真划的建立和模糊关系的真实性。性。误差差e e模糊模糊积分的分的PIDPID模糊控制器模糊控制器2.2.专家家PIDPID控制控制l专家控制是基于受控家控制是基于受控对象和控制象和控制规律的各种知律的各种知识, ,以智能的方以智能的方式来利用式来利用这些知些知识, ,求得受控系求得受控系统尽可能地尽可能地优化和
16、化和实用化。用化。l专家家PIDPID控制系控制系统: :用用专家家经验来建立来建立PIDPID参数。它是在参数。它是在PIDPID算法算法的基的基础上上, ,增加了增加了误差差e e和和误差差变化化e e以及以及查FuzzyFuzzy矩矩阵、查知知识集、知集、知识调整几个整几个软件模件模块。这种种专家家PIDPID控制器能根据控制器能根据专家知家知识和和经验实时调整整PIDPID参数参数, ,具有良好的控制特性和具有良好的控制特性和鲁棒性。棒性。专家家PIDPID控制系控制系统原理框原理框图3.智能智能PID自学习控制自学习控制l自自学学习控控制制系系统: :一一个个系系统若若能能通通过在在
17、线实时学学习，自自动获得得知知识，并并能能将将所所学学的的知知识用用来来不不断断改改善善一一个个具具有有未未知知特特征征过程程的控制性能。的控制性能。l智智能能PIDPID控控制制器器采采用用规则PIDPID控控制制形形式式，即即在在系系统运运行行的的不不同同阶段段下下，采采用用不不同同的的PIDPID参参数数。性性能能评价价是是要要了了解解到到智智能能控控制制器器的的性性能能及及其其好好坏坏，以以便便及及时修修正正PIDPID控控制制器器的的参参数数。设置置逆逆对象象增增量量模模型型是是将将系系统性性能能评价价的的结果果折折合合到到对应受受控控对象象的的控控制量制量u u的修正量的修正量 u
18、 u上去。上去。l特特点点是是在在智智能能PIDPID控控制制即即规则PIDPID控控制制的的基基础上上，强调对该控控制制器器的的控控制制性性能能的的评价价，将将这个个评价价结果果反反馈给PIDPID参参数数的的自自学学习机构，从而使系机构，从而使系统进行自学行自学习和自整定。和自整定。智能PID自学习控制系统结构框图4.4.基于神基于神经网网络的的PIDPID控制控制 以非以非线性大性大规模并行模并行处理理为主要特征的神主要特征的神经网网络, ,是以生物神是以生物神经网网络为模模拟基基础, ,试图模模拟人的形象思人的形象思维以及学以及学习和和获取知取知识的的能力。它具有学能力。它具有学习、记
19、忆、联想、容想、容错、并行、并行处理等种种能力理等种种能力, ,已已在控制在控制领域得到广泛的域得到广泛的应用。控制器用。控制器输出可写成出可写成: : u u( (k k)=)=W W1 1e e( (k k)+)+W W22e e( (k k)-)-e e( (k k-1)+-1)+W W33e e( (k k-12-12e e( (k k)+)+e e( (k k-2)-2) 权系数系数 ( (i i=1,2,3)=1,2,3)可以通可以通过神神经元的自学元的自学习功能来功能来进行自适行自适应调整整, ,故可大大提高控制器的故可大大提高控制器的鲁棒性能。与常棒性能。与常规PIDPID控制
20、器比控制器比较, ,无需无需进行系行系统建模建模, ,对具有不确定性因素的系具有不确定性因素的系统, ,其控制品其控制品质明明显优于常于常规PIDPID控制器。控制器。l基于神基于神经网网络的的PIDPID控制系控制系统: :神神经网网络作在作在线估估计器器, ,控制信控制信号由常号由常规控制器控制器发出。首先出。首先, ,神神经网网络按照按照BPBP学学习算法算法进行离行离线学学习, ,然后介入控制系然后介入控制系统, ,一方面一方面实时地地给出最佳的出最佳的PIDPID控制控制器参数器参数, ,另一方面另一方面还要要继续学学习不断地不断地调整神整神经网网络中各神中各神经元之元之间权系数系数
21、, ,以适以适应受控受控对象的象的变化。化。基于神基于神经网网络的的PIDPID控制系控制系统框框图4.3PID参数整定方法参数整定方法4.3.1 4.3.1 工程整定法工程整定法1. 1. 采采样周期周期T T的的选择确定确定 采采样周期周期T T太小，偏差信号也会太小，偏差信号也会过小，此小，此时计算机将失去算机将失去调节作用；作用；若采若采样周期周期T T太太长，则将引起将引起误差。因此采差。因此采样周期周期T T必必须综合考合考虑。采。采样周期的周期的选择方法有两种，一种是方法有两种，一种是计算法，另一种是算法，另一种是经验法。法。经验法法是一种凑是一种凑试法，即根据人法，即根据人们在
22、控制工作在控制工作实践中践中积累的累的经验以及被控以及被控对象的特点，先象的特点，先选择一个采一个采样周期周期T T，进行行试验，再反复改，再反复改变T T，直到，直到满意意为止。止。2. 2. K Kp, p, T Ti, i, T Td d的的选择方法方法 1) 1) 扩充充临界比例度法界比例度法 扩充充临界比例度法是界比例度法是简易工程整定方法之一，用易工程整定方法之一，用它整定它整定K Kp, p, T Ti, i, T Td d的步的步骤: :选择最短采最短采样周期周期T Tminmin，求出求出临界比例度界比例度S Su u和和临界振界振荡周期周期T Tu u。具体方法是。具体方法
23、是将将T Tminmin输入入计算机，只有算机，只有P P环节控制，逐控制，逐渐缩小比例小比例度，直到系度，直到系统产生等幅振生等幅振荡。此。此时的比例度即的比例度即为临界比例度界比例度S Su u，振，振荡周期称周期称为临界振界振荡周期周期T Tu u。选择控制度控制度为 通常当控制度通常当控制度为时，表示数字控制方式与模，表示数字控制方式与模拟方式效果相当。方式效果相当。根据控制度，根据控制度，查表表4-14-1可求出可求出K Kp, p, T Ti, i, T Td d。 表4-1扩充临界比例度法整定参数表控制控制度度控制规控制规律律参参 数数T TK Kp pT Ti iT Td d1
24、.051.05PIPIPIDPID0.030.03T Tu u0.0140.014T Tu u0.530.53S Su u0.630.63S Su u0.880.88T Tu u0.490.49T Tu u0.140.14T Tu u1.21.2PIPIPIDPID0.050.05T Tu u0.430.43T Tu u0.490.49S Su u0.470.47S Su u0.910.91T Tu u0.470.47T Tu u0.160.16T Tu u续表1.51.5PIPIPIDPID0.140.14T Tu u0.090.09T Tu u0.420.42S Su u0.340.34S
25、 Su u0.990.99T Tu u0.430.43T Tu u0.200.20T Tu u2.02.0PIPIPIDPID0.220.22T Tu u0.160.16T Tu u0.360.36S Su u0.270.27S Su u1.051.05T Tu u0.40.4T Tu u0.220.22T Tu u2) 2) 扩充响充响应曲曲线法法 l若已知系若已知系统的的动态特性曲特性曲线，可以采用和模，可以采用和模拟调节方法一方法一样的的响响应曲曲线法法进行整定，其步行整定，其步骤如下。如下。l断开微机断开微机调节器，使系器，使系统手手动工作，当系工作，当系统在在给定定值处处于平于平衡后
26、，衡后，给一一阶跃输入。用入。用仪表表记录被被调参数在此参数在此阶跃作用下的作用下的变化化过程曲程曲线，如，如图所示。所示。 阶跃信号下的曲信号下的曲线l在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间t，对象时间常数以及它们的比值/t。根据所求得的,t和/t值，查表4-2求得值Kp，Ti，Td。表4-2扩充响应曲线法整定参数表控制度控制规律参 数TKpTiTd1.05PIPID0.1t0.05t0.84/t1.15/t0.34t2.0t0.45t1.2PIPID0.2t0.15t0.78/t1.0/t3.6t1.9t0.55t1.5PIPID0.50t0.34t0.68/t0.85/t3.9t1.62t
27、0.65t2.0PIPID0.8t0.6t0.57/t0.6/t4.2t1.5tt4.3.2经验法经验法l在在实际生生产过程中，由于被程中，由于被调对象的象的动态特性不是很特性不是很容易确定，即使确定了，不容易确定，即使确定了，不仅计算困算困难，工作量大，工作量大，往往其往往其结果与果与实际相差相差较大，甚至事倍功半。因此，大，甚至事倍功半。因此，在在实际生生产过程中采用的是程中采用的是经验法。即根据各法。即根据各调节作作用的用的规律，律，经过闭环试验，反复凑，反复凑试，找出最佳，找出最佳调节参数。微机参数。微机调速器参数最速器参数最终要在要在现场试验好后，才能好后，才能选出最出最优参数。厂家
28、有参数。厂家有规定的参考定的参考值，有一个范，有一个范围，是理是理论计算出来的。因此要算出来的。因此要选择出最出最优参数，就必参数，就必须在生在生产现场进行行试验作作记录曲曲线后方能得到。后方能得到。4.3.3凑试法确定PID调节参数具体步具体步骤如下：如下：(1) (1) 首先整定比例部分。将比例系数由小首先整定比例部分。将比例系数由小调大，并大，并观察相察相应的系的系统响响应，直至得到反，直至得到反应快、超快、超调小的响小的响应曲曲线。如果系。如果系统没有静差或没有静差或静差小到允静差小到允许的范的范围之内，并且响之内，并且响应曲曲线已属已属满意，那么只需要意，那么只需要用比例用比例调节器
29、即可，最器即可，最优比例系数可由此确定。比例系数可由此确定。(2) (2) 当当仅调节比例比例调节器参数，系器参数，系统的静差的静差还达不到达不到设计要求要求时，则需加入需加入积分分环节。整定。整定时，首先置，首先置积分常数分常数T Ti i为一个一个较大大值，经第一步整定得到的比例系数会略第一步整定得到的比例系数会略为缩小小( (如减小如减小20%)20%)，然后减小，然后减小积分常数，使系分常数，使系统在保持良好在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。性能的情况下，静差得到消除。在此在此过程中，可根据响程中，可根据响应曲曲线的好坏反复修改比例系数和的好坏反复修改比例系数和积分常分常数，直
30、至得到数，直至得到满意的效果和相意的效果和相应的参数。的参数。(3) (3) 若使用比例若使用比例积分器，能消除静差，但分器，能消除静差，但动态过程程经反复反复调整后仍达整后仍达不到要求，不到要求，这时可加入微分可加入微分环节。在整定。在整定时，先置微分常数，先置微分常数T Td d为零，在第二步整定的基零，在第二步整定的基础上，增大上，增大T Td d，同，同时相相应地改地改变K Kp p和和T Ti i ，逐步凑逐步凑试，以，以获得得满意的意的调节效果和参数。效果和参数。表4-3常见被调量PID参数经验选择范围被调量特点参数KpTi/ minTd/ min流量时间常数小，并有噪声，故Kp比
31、较小，Ti较小，不用微分12.50.11温度对象有较大滞后，常用微分1.653100.53压力对象的滞后不大，不用微分1.43.50.43液位允许有静差时，不用积分和微分1.2552.4PID控制系统实例控制系统实例厚壁管全位置厚壁管全位置焊接接变增益增益PIDPID弧弧长调节必要性必要性 厚壁管窄厚壁管窄间隙全位置隙全位置TIGTIG焊弧弧长调节一般可以分一般可以分为弧光弧光传感、感、电磁磁传感和弧感和弧压传感。感。应用弧光用弧光传感是通感是通过测量弧光的整体光量弧光的整体光强来来测量量弧弧长，与，与给定定值相比，差相比，差值经过一定的算法一定的算法输出信号控制弧出信号控制弧长；电磁磁传感是
32、根据弧感是根据弧长变化引起化引起电磁磁变化，再将化，再将电磁信号磁信号转化成化成电信号控制信号控制弧弧长；以上两种弧；以上两种弧长调节控制器控制器辅助装置复助装置复杂，在生，在生产应用中受到限用中受到限制。制。 采用弧采用弧压传感控制感控制电弧弧长度的技度的技术较为成熟，而且制造成本低，成熟，而且制造成本低，同同时通通过控制弧控制弧压控制弧控制弧长符合符合焊接操作者的接操作者的传统习惯，所以目前大，所以目前大多自多自动焊接操作机都采用弧接操作机都采用弧压传感控制弧感控制弧长，通，通过计算机控制和先算机控制和先进的控制算法可的控制算法可实现焊枪运行平运行平稳，控制精度，控制精度较高，完全能高，完
33、全能够满足足焊接接生生产要求。要求。 全位置全位置TIGTIG管在管在焊过程中，由于程中，由于钨极的极的烧损、前道、前道焊缝的成形、的成形、熔池熔池变化、化、焊件几何形状及全位置空件几何形状及全位置空间变化等因素的影响，只有采用化等因素的影响，只有采用弧弧长调节功能，才能功能，才能维持持电弧弧长度的恒定。度的恒定。 弧弧长过短，短，则电极和工极和工件容易短路而件容易短路而损坏坏电极，也使极，也使电极金属落极金属落进熔池造成熔池造成夹钨；弧；弧长过长，电弧的有效加弧的有效加热面面积增大，使熔深减小熔增大，使熔深减小熔宽增加从而影响增加从而影响焊缝成形；成形；使用脉使用脉动添添丝时，弧，弧长调节重
34、要性就更重要性就更为突出。突出。弧长调节系统的硬件组成弧长调节系统的硬件组成l弧长调节系统的硬件主要由弧长调节系统的硬件主要由焊接电源、弧长调整机构、焊接电源、弧长调整机构、弧压信号采样系统和单片机接口电路及力矩电机驱动弧压信号采样系统和单片机接口电路及力矩电机驱动电路电路组成。控制系统结构如图组成。控制系统结构如图2-122-12所示。所示。图图2-12 焊接电流和弧长控制系统结构图焊接电流和弧长控制系统结构图 l 在本控制系统中，电机的控制是采用在本控制系统中，电机的控制是采用脉宽调制脉宽调制(PWM)(PWM)方式进行的。方式进行的。位置控制是采用控制弧压来间接控位置控制是采用控制弧压来
35、间接控制弧长制弧长。当单片机采样到弧压偏差后，采用一定的控制。当单片机采样到弧压偏差后，采用一定的控制算法，给定控制电压（算法，给定控制电压（0 05 5V V）来控制脉宽调制芯片）来控制脉宽调制芯片TL494TL494输出脉冲的占空比，经功率放大为力矩电动机电输出脉冲的占空比，经功率放大为力矩电动机电枢上电压来控制其转速，辅助以位控方式控制转动方向枢上电压来控制其转速，辅助以位控方式控制转动方向和转动与否，实现弧长控制（即位置控制）。力矩电动和转动与否，实现弧长控制（即位置控制）。力矩电动机驱动电路原理如图机驱动电路原理如图2-132-13所示。所示。 图 2-13 力矩电动机驱动电路原理图
36、 弧长调节可变增益弧长调节可变增益PIDPID控制器的设计控制器的设计l在电弧长度与弧压之间的线性关系基础上，可以用线性数字PID控制来实现弧长的自动调节。弧长控制应力求超调量小，而调节时间短，因而采用PID调节。连续PID控制器的理想方程为：(2-16) 其中 e(t)控制器输入信号 u(t)控制器输出信号控制器放大系数 控制器积分时间常数 控制器微分时间常数l随着计算机技术的发展，PID控制规律已能用微机简单的实现，形成所谓数字PID控制方法。用矩形积分代替连续积分的基本数字PID方程如下： (2-17)式(4-17)化为增量式PID算式，得 (2-18)l该系统用该系统用扩充临界比例度法
37、扩充临界比例度法整定出整定出PIDPID参数的初值，即采用纯参数的初值，即采用纯比例控制，逐渐增加放大系数，直至系统出现等幅振荡（见图比例控制，逐渐增加放大系数，直至系统出现等幅振荡（见图2-142-14），记录此时的放大系数和振荡周期，按表），记录此时的放大系数和振荡周期，按表2-42-4计算计算PIDPID参参数。在不同的空间位置由于重力的影响，相同的输入功率下其数。在不同的空间位置由于重力的影响，相同的输入功率下其转速是不一样的，所以不同的焊接位置的最佳转速是不一样的，所以不同的焊接位置的最佳PIDPID参数是不相参数是不相同的。实验在同的。实验在12Cr1MoV12Cr1MoV钢钢管表
38、面进行，管壁厚钢钢管表面进行，管壁厚3535mmmm，管径，管径400400mmmm，焊接规范为：焊接电压，焊接规范为：焊接电压U U=10=10V V；焊接电流；焊接电流I I=60=60A A；氩气；氩气流量流量q qv vL L/ /minmin。表表2-4 2-4 扩充临界比例带法扩充临界比例带法PIDPID参数计算公式参数计算公式控制度调节规律Ts/TcrKp/KcrTi /TrTd/Tcr1.50PID0.090.340.430.20 图图2-14 2-14 系统的临界振荡过程系统的临界振荡过程 测得测得Tcr，Kcr，按控制度，选取采样，按控制度，选取采样Ts，将表，将表2-4中
39、各值代中各值代入式入式(2-18)中，得：中，得：(2-19) 分析分析: :按按Kp/KcrKp/Kcr，取，取KpKp初值。弧长调节的首要问题是初值。弧长调节的首要问题是防止钨极与工件防止钨极与工件短路短路，所以在调节过程中，所以在调节过程中，焊枪远离工件的调节速度要快，而靠近焊枪远离工件的调节速度要快，而靠近工件的调节超调要小工件的调节超调要小，并且要在两个方向弧长调节中采用，并且要在两个方向弧长调节中采用不同的放不同的放大系数大系数KpKp，靠近工件调节过程的放大系数应适当小一些。，靠近工件调节过程的放大系数应适当小一些。同时应该考虑，该焊机全位置焊过程中不同的焊接位置的最佳同时应该考
40、虑，该焊机全位置焊过程中不同的焊接位置的最佳PIDPID参参数是不相同的，因此，系统采用根据实时的调节情况适当改变数是不相同的，因此，系统采用根据实时的调节情况适当改变PIDPID控控制器放大系数的方法。其基本原理是：如果调节中发现调节速度过制器放大系数的方法。其基本原理是：如果调节中发现调节速度过慢，即往该方向调节困难，则应增加该方向的控制器放大系数慢，即往该方向调节困难，则应增加该方向的控制器放大系数KpKp；相反则减小。相反则减小。l为改善系统的控制品质，在上述可变增益PID调节上做了一些改进，这里主要考虑三方面的情况并采取相应措施：l（1）采用快速控制l快速控制即在偏差很大的情况下，用
41、开关控制的方式快速调节，使系统迅速减小偏差。本控制系统设计当弧压偏差大于时，采用快速调节，即快速调节PID控制(2-20)（2）采用积分分离的PID控制 偏差较大时，在积分项的作用下，将引起系统过量的超调和不停的振荡。为此，可采用积分分离对策。本系统设计当偏差大于时，取消积分作用。取消积分作用引入积分作用(2-21)式(4-14)取消积分项后为： -(2-22) 为改善系统的控制品质，在上述可变增益为改善系统的控制品质，在上述可变增益PIDPID调节调节上做了一些改进，这里主要考虑三方面的情况并采取相上做了一些改进，这里主要考虑三方面的情况并采取相应措施。应措施。1 1）采用快速控制）采用快速
42、控制快速控制即在偏差很大的情况下，用开关控制的方快速控制即在偏差很大的情况下，用开关控制的方式快速调节，使系统迅速减小偏差。本控制系统设计当式快速调节，使系统迅速减小偏差。本控制系统设计当弧压偏差大于弧压偏差大于1.5 V1.5 V时，采用快速调节，即：时，采用快速调节，即：快速调节PID控制2 2）采用积分分离的）采用积分分离的PIDPID控制控制偏差较大时，在积分项的作用下，将引起系统偏差较大时，在积分项的作用下，将引起系统过量的超调和不停的振荡。为此，可采用积分分离过量的超调和不停的振荡。为此，可采用积分分离对策。本系统设计当偏差大于对策。本系统设计当偏差大于0.8 V0.8 V时，取消
43、积分时，取消积分作用，即：作用，即： （2-212-21）式（式（2-192-19）取消积分项后为：）取消积分项后为：取消积分作用取消积分作用引入积分作用引入积分作用(2-22) （3 3）采用带不灵敏区的）采用带不灵敏区的PIDPID控制控制l为避免调节频繁而引起系统振荡，采用带不灵敏区的为避免调节频繁而引起系统振荡，采用带不灵敏区的PIDPID控制，偏差在控制，偏差在一定范围内不调，即一定范围内不调，即 (2-23) TIG (2-23) TIG焊过程中，即使电流恒定，弧长稳定，焊过程中，即使电流恒定，弧长稳定，电弧电压也要受到一些因素的干扰（如熔池的振荡、阳极斑点的漂移电弧电压也要受到一
44、些因素的干扰（如熔池的振荡、阳极斑点的漂移等），会在一定范围内波动，确定一定范围的不灵敏区，可防止焊矩等），会在一定范围内波动，确定一定范围的不灵敏区，可防止焊矩频繁调节和误调。只是不灵敏区不能过大，过大使系统反应麻木，静频繁调节和误调。只是不灵敏区不能过大，过大使系统反应麻木，静态误差偏大；可太小又难以达到预期的目的。作者考虑系统调节稳定态误差偏大；可太小又难以达到预期的目的。作者考虑系统调节稳定的同时，充分考虑系统最大允许的静差，即弧长偏差的最大容忍度。的同时，充分考虑系统最大允许的静差，即弧长偏差的最大容忍度。经多次焊接实验，将不灵敏区定为经多次焊接实验，将不灵敏区定为|uVuV。编程实现上述控制，控制软。编程实现上述控制，控制软件流程图见件流程图见2-152-15。(2-23)图2-15 弧长调节程序流程图 3.7.4S7-200的的PID闭环控制程序设计闭环控制程序设计1.水位PID控制某一水箱里的水以变化的速度流出，一台变频器驱动的水泵给水箱打水，以保证水箱的水位维持在满水位的75%。过程变量由浮在水面上的水位测量仪提供，PID控制器的输出值作为变频器速度的给定。系统采用PI控制器，给定值为，选取控制器参数的初值为：K，T，T1=30min。图3.82PID指令2.PID指令编址3.水位水位PID控制序设计控制序设计(a) 主程序(b)子程序(c)中断程序
