pid控制器原理
比例積分微分控制包含比例、積分、微分三部分,實際中也有PI和PD控制器。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例積分微分計算出控制量,圖1.2a中給出了一個PID控制的結(jié)構(gòu)圖,控制器輸出和控制器輸入(誤差)之間的關(guān)係在時域中可用公式(1.2a)表示如下:
(1.2a)
公式中 表示誤差、控制器的輸入, 是控制器的輸出, 為比例系數(shù)、 積分時間常數(shù)、為 微分時間常數(shù)。(1.2a)式又可表示為:
(1.2b)
公式中 和 分別為 和 的拉氏變換, 。 、 、 分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。
比例(P)控制
比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差訊號成比例關(guān)係。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steady-state error)。
積分(I)控制
在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差訊號的積分成正比關(guān)係。
對一個自動控制系統(tǒng),如果在進入穩(wěn)態(tài)後存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)(System with Steady-state Error)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取關(guān)於時間的積分,隨著時間的增加,積分項會增大。這樣,即便誤差很小,積分項也會隨著時間的增加而加大,它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小,直到等於零。
因此,比例+積分(PI)控制器,可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)後無穩(wěn)態(tài)誤差。
微分(D)控制
在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差訊號的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)係。
自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由於存在有較大慣性的元件(環(huán)節(jié))和(或)有滯後(delay)的元件,使力圖克服誤差的作用,其變化總是落後於誤差的變化。解決的辦法是使克服誤差的作用的變化要有些“超前”,即在誤差接近零時,克服誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說,在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的,比例項的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項”,它能預(yù)測誤差變化的趨勢,這樣,具有比例+微分的控制器,就能夠提前使克服誤差的控制作用等於零,甚至為負值,從而避免了被控量的嚴(yán)重地沖過頭。
所以對有較大慣性和(或)滯後的被控對象,比例+微分(PD)的控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。
圖 1.2a PID控制的結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)今的自動控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分:測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量,與期望值相比較,用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。
這個理論和應(yīng)用自動控制的關(guān)鍵是,做出正確的測量和比較后,如何才能更好地糾正系統(tǒng)。
PID(比例-積分-微分)控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史,現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂,使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件,因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。
PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。
比例(P)調(diào)節(jié)作用:是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少 偏差。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但是過大的比例,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
積分(I)調(diào)節(jié)作用:是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無差度。因為有誤差,積分調(diào)節(jié)就進行,直至無差,積分調(diào)節(jié)停止,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti,Ti越小,積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合,組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。
微分(D)調(diào)節(jié)作用:微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率,具有預(yù)見性,能預(yù)見偏差變化的趨勢,因此能產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此,可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下,可以減少超調(diào),減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用,因此過強的加微分調(diào)節(jié),對系統(tǒng)抗干擾不利。此外,微分反應(yīng)的是變化率,而當(dāng)輸入沒有變化時,微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用,需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合,組成PD或PID控制器。
其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為:后補
,使用中只需設(shè)定三個參數(shù)(Kp,Ki和Kd)即可。在很多情況下,并不一定需要全部三個單元,可以取其中的一到兩個單元,但比例控制單元是必不可少的。
首先,PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的,但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng),這樣PID就可控制了。
其次,PID參數(shù)較易整定。也就是,PID參數(shù)Kp,Ki和Kd可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化,例如可能由負載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化,PID參數(shù)就可以重新整定。
第三,PID控制器在實踐中也不斷的得到改進,下面兩個改進
的例子。
在工廠,總是能看到許多回路都處于手動狀態(tài),原因是很難讓過程在“自動”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足,采用PID的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費等問題的困擾。PID參數(shù)自整定就是為了處理PID參數(shù)整定這個問題而產(chǎn)生的?,F(xiàn)在,自動整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個標(biāo)準(zhǔn)。
在一些情況下針對特定的系統(tǒng)設(shè)計的PID控制器控制得很好,但它們?nèi)源嬖谝恍﹩栴}需要解決:
如果自整定要以模型為基礎(chǔ),為了PID參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環(huán)工作時,要求在過程中插入一個測試信號。這個方法會引起擾動,所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。
如果自整定是基于控制律的,經(jīng)常難以把由負載干擾引起的影響和過程動態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來,因此受到干擾的影響控制器會產(chǎn)生超調(diào),產(chǎn)生一個不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外,由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法,參數(shù)整定可靠與否存在很多問題。
因此,許多自身整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動計算PID參數(shù)。
但仍不可否認(rèn)PID也有其固有的缺點:
PID在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時,工作地不是太好。最重要的是,如果PID控制器不能控制復(fù)雜過程,無論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。雖然有這些缺點,PID控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器
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