【分享】萬能算法PID最全總結(jié)
PID的數(shù)學(xué)模型
目的
何為PID以及為何需要PID?
(1)、比例控制規(guī)律P:采用P控制規(guī)律能較快地克服擾動的影響,它的作用于輸出值較快,但不能很好穩(wěn)定在一個理想的數(shù)值,不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動的影響,但有余差出現(xiàn)。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場合。如:金彪公用工程部下設(shè)的水泵房冷、熱水池水位控制;油泵房中間油罐油位控制等。
(2)、比例積分控制規(guī)律(PI):在工程中比例積分控制規(guī)律是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差,它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場合。如:在主線窯頭重油換向室中F1401到F1419號槍的重油流量控制系統(tǒng);油泵房供油管流量控制系統(tǒng);退火窯各區(qū)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。
(3)、比例微分控制規(guī)律(PD):微分具有超前作用,對于具有容量滯后的控制通道,引入微分參與控制,在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下,對于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo),有著顯著效果。因此,對于控制通道的時間常數(shù)或容量滯后較大的場合,為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減小動態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。如:加熱型溫度控制、成分控制。需要說明一點(diǎn),對于那些純滯后較大的區(qū)域里,微分項(xiàng)是無能為力,而在測量信號有噪聲或周期性振動的系統(tǒng),則也不宜采用微分控制。如:大窯玻璃液位的控制。
(4)、例積分微分控制規(guī)律(PID):PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律,它在比例的基礎(chǔ)上引入積分,可以消除余差,再加入微分作用,又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場合。如溫度控制、成分控制等。
鑒于D規(guī)律的作用,我們還必須了解時間滯后的概念,時間滯后包括容量滯后與純滯后。其中容量滯后通常又包括:測量滯后和傳送滯后。測量滯后是檢測元件在檢測時需要建立一種平衡,如熱電偶、熱電阻、壓力等響應(yīng)較慢產(chǎn)生的一種滯后。而傳送滯后則是在傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備產(chǎn)生的一種控制滯后。純滯后是相對與測量滯后的,在工業(yè)上,大多的純滯后是由于物料傳輸所致,如:大窯玻璃液位,在投料機(jī)動作到核子液位儀檢測需要很長的一段時間。
總之,控制規(guī)律的選用要根據(jù)過程特性和工藝要求來選取,決不是說PID控制規(guī)律在任何情況下都具有較好的控制性能,不分場合都采用是不明智的。如果這樣做,只會給其它工作增加復(fù)雜性,并給參數(shù)整定帶來困難。當(dāng)采用PID控制器還達(dá)不到工藝要求,則需要考慮其它的控制方案。如串級控制、前饋控制、大滯后控制等。
Kp,Ti,Td三個參數(shù)的設(shè)定是PID控制算法的關(guān)鍵問題。一般說來編程時只能設(shè)定他們的大概數(shù)值,并在系統(tǒng)運(yùn)行時通過反復(fù)調(diào)試來確定最佳值。因此調(diào)試階段程序須得能隨時修改和記憶這三個參數(shù)。
數(shù)字PID控制器
(1)模擬PID控制規(guī)律的離散化
在某些應(yīng)用場合,比如通用儀表行業(yè),系統(tǒng)的工作對象是不確定的,不同的對象就得采用不同的參數(shù)值,沒法為用戶設(shè)定參數(shù),就引入?yún)?shù)自整定的概念。實(shí)質(zhì)就是在首次使用時,通過N次測量為新的工作對象尋找一套參數(shù),并記憶下來作為以后工作的依據(jù)。具體的整定方法有三種:臨界比例度法、衰減曲線法、經(jīng)驗(yàn)法。
1、臨界比例度法(Ziegler-Nichols)
1.1 在純比例作用下,逐漸增加增益至產(chǎn)生等副震蕩,根據(jù)臨界增益和臨界周期參數(shù)得出PID控制器參數(shù),步驟如下:
(1)將純比例控制器接入到閉環(huán)控制系統(tǒng)中(設(shè)置控制器參數(shù)積分時間常數(shù)Ti =∞,實(shí)際微分時間常數(shù)Td =0)。
(2)控制器比例增益K設(shè)置為最小,加入階躍擾動(一般是改變控制器的給定值),觀察被調(diào)量的階躍響應(yīng)曲線。
(3)由小到大改變比例增益K,直到閉環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。
(4)系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)等幅振蕩時,此時的增益為臨界增益(Ku),振蕩周期(波峰間的時間)為臨界周期(Tu)。
(5) 由表1得出PID控制器參數(shù)。
(1)在采用這種方法獲取等幅振蕩曲線時,應(yīng)使控制系統(tǒng)工作在線性區(qū),不要使控制閥出現(xiàn)開、關(guān)的極端狀態(tài),否則得到的持續(xù)振蕩曲線可能是“極限循環(huán)”,從線性系統(tǒng)概念上說系統(tǒng)早已處于發(fā)散振蕩了。
(2)由于被控對象特性的不同,按上表求得的控制器參數(shù)不一定都能獲得滿意的結(jié)果。對于無自平衡特性的對象,用臨界比例度法求得的控制器參數(shù)往住使系統(tǒng)響應(yīng)的衰減率偏大(ψ>0.75 )。而對于有自平衡特性的高階等容對象,用此法整定控制器參數(shù)時系統(tǒng)響應(yīng)衰減率大多偏小(ψ<0.75 )。為此,上述求得的控制器參數(shù),應(yīng)針對具體系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中進(jìn)行在線校正。
(3) 臨界比例度法適用于臨界振幅不大、振蕩周期較長的過程控制系統(tǒng),但有些系統(tǒng)從安全性考慮不允許進(jìn)行穩(wěn)定邊界試驗(yàn),如鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。還有某些時間常數(shù)較大的單容對象,用純比例控制時系統(tǒng)始終是穩(wěn)定的,對于這些系統(tǒng)也是無法用臨界比例度法來進(jìn)行參數(shù)整定的。
(4)只適用于二階以上的高階對象,或一階加純滯后的對象,否則,在純比例控制情況下,系統(tǒng)不會出現(xiàn)等幅振蕩。
1.3 若求出被控對象的靜態(tài)放大倍數(shù)KP=△y/△u ,則增益乘積KpKu可視為系統(tǒng)的最大開環(huán)增益。通常認(rèn)為Ziegler-Nichols閉環(huán)試驗(yàn)整定法的適用范圍為:
(2)當(dāng)KpKu < 2時,應(yīng)使用一些能補(bǔ)償傳輸遲延的控制策略。
(3)當(dāng)1.5
(4)當(dāng)KpKu< 1.5時,在對控制精度要求不高的場合仍可使用PI控制器,在這種情況下,微分作用已意義不大。
2、衰減曲線法
(1)在純比例控制器下,置比例增益K為較小值,并將系統(tǒng)投入運(yùn)行。
(2)系統(tǒng)穩(wěn)定后,作設(shè)定值階躍擾動,觀察系統(tǒng)的響應(yīng),若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快,則減小比例增益K;反之,應(yīng)增大比例增益K。直到系統(tǒng)出現(xiàn)如下圖(a)所示的4:1衰減振蕩過程,記下此時的比例增益Ks及和振蕩周期Ts數(shù)值。
(3)利用Ks和Ts值,按下表給出的經(jīng)驗(yàn)公式,計算出控制器的參數(shù)整定值。
(4)10:1衰減曲線法類似,只是用Tr帶入計算。
(1)加給定干擾不能太大,要根據(jù)生產(chǎn)操作要求來定,一般在5%左右,也有例外的情況。
(2)必須在工藝參數(shù)穩(wěn)定的情況下才能加給定干擾,否則得不到正確得 整定參數(shù)。
(3)對于反應(yīng)快的系統(tǒng),如流量、管道壓力和小容量的液位調(diào)節(jié)等,要得到嚴(yán)格的4:1衰減曲線較困難,一般以被調(diào)參數(shù)來回波動兩次達(dá)到穩(wěn)定,就近似地認(rèn)為達(dá)到4:1衰減過程了。
(4)投運(yùn)時,先將K放在較小的數(shù)值,把Ti減少到整定值,把Td逐步放大到整定值,然后把K拉到整定值(如果在K=整定值的條件下很快地把Td放到整定值,控制器的輸出會劇烈變化)。
3、經(jīng)驗(yàn)整定法
3.1方法一A:
(1)確定比例增益
使PID為純比例調(diào)節(jié),輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許最大值的60%~70%,由0逐漸加大比例增益至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩;再反過來,從此時的比例增益逐漸減小至系統(tǒng)振蕩消失,記錄此時的比例增益,設(shè)定PID的比例增益P為當(dāng)前值的60%~70%。
(2)確定積分時間常數(shù)
比例增益P確定后,設(shè)定一個較大的積分時間常數(shù)Ti的初值,然后逐漸減小Ti至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩,之后在反過來,逐漸加大Ti至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti,設(shè)定PID的積分時間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%~180%。
(3)確定積分時間常數(shù)Td
積分時間常數(shù)Td一般不用設(shè)定,為0即可。若要設(shè)定,與確定 P和Ti的方法相同,取不振蕩時的30%。
(4)系統(tǒng)帶載聯(lián)調(diào),再對PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào),直至滿足要求。
(1)PI調(diào)節(jié)
(a)純比例作用下,把比例度從較大數(shù)值逐漸往下降,至開始產(chǎn)生周期振蕩(測量值以給定值為中心作有規(guī)則得振蕩),在產(chǎn)生周期性振蕩得情況下,把此比例度逐漸加寬直至系統(tǒng)充分穩(wěn)定。
(b)接下來把積分時間逐漸縮短至產(chǎn)生振蕩,此時表示積分時間過短,應(yīng)把積分時間稍加延長,直至振蕩停止。
(2)PID調(diào)節(jié)
(a)純比例作用下尋求起振點(diǎn)。
(b)加大微分時間使振蕩停止,接著把比例度調(diào)得稍小一些,使振蕩又產(chǎn)生,加大微分時間,使振蕩再停止,來回這樣操作,直至雖加大微分時間,但不能使振蕩停止,求得微分時間的最佳值,此時把比例度調(diào)得稍大一些直至振蕩停止。
(c)把積分時間調(diào)成和微分時間相同的數(shù)值,如果又產(chǎn)生振蕩則加大積分時間直至振蕩停止。
3.3 方法二:
另一種方法是先從表列范圍內(nèi)取Ti的某個數(shù)值,如果需要微分,則取Td=(1/3~1/4)Ti,然后對δ進(jìn)行試湊,也能較快地達(dá)到要求。實(shí)踐證明,在一定范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)亟M合δ和Ti的數(shù)值,可以得到同樣衰減比的曲線,就是說,δ的減少,可以用增加Ti的辦法來補(bǔ)償,而基本上不影響調(diào)節(jié)過程的質(zhì)量。所以,這種情況,先確定Ti、Td再確定δ的順序也是可以的。而且可能更快些。如果曲線仍然不理想,可用Ti、Td再加以適當(dāng)調(diào)整。
3.4 方法三:
(1)在實(shí)際調(diào)試中,也可以先大致設(shè)定一個經(jīng)驗(yàn)值,然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。
流量系統(tǒng):P(%)40--100,I(分)0.1--1
壓力系統(tǒng):P(%)30--70, I(分)0.4--3
液位系統(tǒng):P(%)20--80, I(分)1—5
溫度系統(tǒng):P(%)20--60, I(分)3--10,D(分)0.5--3
(2)以下整定的口訣:
階躍擾動投閉環(huán),參數(shù)整定看曲線;先投比例后積分,最后再把微分加;
理想曲線兩個波,振幅衰減4比1;比例太強(qiáng)要振蕩,積分太強(qiáng)過程長;
動差太大加微分,頻率太快微分降;偏離定值回復(fù)慢,積分作用再加強(qiáng)。
4、復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定
以串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例來說明復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定方法。由于串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,有主、副兩組參數(shù),各通道及回路間存在著相互聯(lián)系和影響。改變主、副回路的任一參數(shù),對整個系統(tǒng)都有影響。特別是主、副對象時間常數(shù)相差不大時,動態(tài)聯(lián)系密切,整定參數(shù)的工作尤其困難。
在整定參數(shù)前,先要明確串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計目的。如果主要是保證主參數(shù)的調(diào)節(jié)質(zhì)量,對副參數(shù)要求不高,則整定工作就比較容易;如果主、副參數(shù)都要求高,整定工作就比較復(fù)雜。下面介紹“先副后主”兩步參數(shù)整定法。
第一步:在工況穩(wěn)定情況下,將主回路閉合,把主控制器比例度放在100%,積分時間放在最大,微分時間放在零。用4:1衰減曲線整定副回路,求出副回路得比例增益K2s和振蕩周期T2s。
第二步:把副回路看成是主回路的一個環(huán)節(jié),使用4:1衰減曲線法整定主回路,求得主控制器K1s和T1s。
根據(jù)K1s、K2s、T1s、T2s按表2經(jīng)驗(yàn)公式算出串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)主、副回路參數(shù)。先放上副回路參數(shù),再放上主回路參數(shù),如果得到滿意的過渡過程,則整定工作完畢。否則可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
如果主、副對象時間常數(shù)相差不大,按4:1衰減曲線法整定,可能出現(xiàn)“共振”危險,這時,可適當(dāng)減小副回路比例度或積分時間,以達(dá)到減少副回路振蕩周期的目的。同理,加大主回路比例度或積分時間,以期增大主回路振蕩周期,使主、副回路振蕩周期之比加大,避免“共振”。這樣做的結(jié)果會降低調(diào)節(jié)質(zhì)量。
如果主、副對象特性太相近,則說明確定的方案欠妥當(dāng),就不能完全依靠參數(shù)整定來提高調(diào)節(jié)質(zhì)量了。
實(shí)際應(yīng)用體會:
一是利用數(shù)字PID控制算法調(diào)節(jié)直流電機(jī)的速度,方案是采用光電開關(guān)來獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的脈沖信號,單片機(jī)(MSP430G2553)通過測量脈沖信號的頻率來計算電機(jī)的轉(zhuǎn)速(具體測量頻率的算法是采用直接測量法,定時1s測量脈沖有多少個,本身的測量誤差可以有0.5轉(zhuǎn)加減),測量的轉(zhuǎn)速同給定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較產(chǎn)生誤差信號,來產(chǎn)生控制信號,控制信號是通過PWM調(diào)整占空比也就是調(diào)整輸出模擬電壓來控制的(相當(dāng)于1位的DA,如果用10位的DA來進(jìn)行模擬調(diào)整呢?效果會不會好很多?),這個實(shí)驗(yàn)控制能力有一定的范圍,只能在30轉(zhuǎn)/秒和150轉(zhuǎn)/秒之間進(jìn)行控制,當(dāng)給定值(程序中給定的速度)高于150時,實(shí)際速度只能保持在150轉(zhuǎn),這也就是此系統(tǒng)的最大控制能力,當(dāng)給定值低于30轉(zhuǎn)時,直流電機(jī)轉(zhuǎn)軸實(shí)際是不轉(zhuǎn)動的,但由于誤差值過大,轉(zhuǎn)速會迅速變高,然后又會停止轉(zhuǎn)動,就這樣循環(huán)往復(fù),不能達(dá)到控制效果。
根據(jù)實(shí)測,轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)精度在正負(fù)3轉(zhuǎn)以內(nèi),控制時間為4到5秒。實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行到這種程度,思考和分析也只停留在這種深度。
二是利用數(shù)字PID控制算法調(diào)節(jié)直流減速電機(jī)的位置,方案是采用與電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動的精密電位器來測量電機(jī)轉(zhuǎn)動的位置和角度,通過測量得到的角度和位置與給定的位置進(jìn)行比較產(chǎn)生誤差信號,然后位置誤差信號通過一定關(guān)系(此關(guān)系純屬根據(jù)想象和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來擬定和改善的)轉(zhuǎn)換成PWM信號,作為控制信號的PWM信號是先產(chǎn)生對直流減速電機(jī)的模擬電壓U,U來控制直流減速電機(jī)的力矩(不太清楚),力矩產(chǎn)生加速度,加速度產(chǎn)生速度,速度改變位置,輸出量是位置信號,所以之間應(yīng)該對直流減速電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)建模分析,仿真出直流減速電機(jī)的近似系統(tǒng)傳遞函數(shù),然后根據(jù)此函數(shù)便可以對PID的參數(shù)進(jìn)行整定了。
兩次體會都不是特別清楚PID參數(shù)是如何整定的,沒有特別清晰的理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)步驟,對結(jié)果的整理和分析也不夠及時,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)深度和程度都不能達(dá)到理想效果。
怎樣形象理解PID算法
拿一個水池水位來說,我們 可以制定一個規(guī)則,
穩(wěn)態(tài)誤差(Off set)
通過提供超前控制作用,微分控制能使被控過程趨于穩(wěn)定。