PID控制理論前導說明

沒有一種控制算法比PID調節規律更有效、更方便的了。現在一些時髦點的調節器基本源自PID。爲什麼PID應用如此廣泛、又長久不衰? 因爲PID解決了自動控制理論所要解決的最基本問題,既系統的穩定性、快速性和準確性。調節PID的參數,可實現在系統穩定的前提下,兼顧系統的帶載能力和抗擾能力,同時,在PID調節器中引入積分項,系統增加了一個零積點,使之成爲一階或一階以上的系統,這樣系統階躍響應的穩態誤差就爲零。 由於自動控制系統被控對象的千差萬別,PID的參數也必須隨之變化,以滿足系統的性能要求。這就給使用者帶來相當的麻煩,特別是對初學者。

1.負反饋 

自動控制理論也被稱爲負反饋控制理論。首先檢查系統接線,確定系統的反饋爲負反饋。例如電機調速系統,輸入信號爲正,要求電機正轉時,反饋信號也爲正(PID算法時,誤差=輸入-反饋),同時電機轉速越高,反饋信號越大。其餘系統同此方法。 

2.PID調試一般原則 

a.在輸出不振盪時,增大比例增益 p。 

b.在輸出不振盪時,減小積分時間常數T i。 

c.在輸出不振盪時,增大微分時間常數T d。 

3.一般步驟 

a.確定比例增益P 

確定比例增益P 時,首先去掉PID的積分項和微分項,一般是令Ti=0、Td=0(具體見PID的參數設定說明),使PID爲純比例調節。輸入設定爲系統允許的最大值的60%~70%,由0逐漸加大比例增益P,直至系統出現振盪;再反過來,從此時的比例增益P逐漸減小,直至系統振盪消失,記錄此時的比例增益P,設定PID的比例增益P爲當前值的60%~70%。比例增益P調試完成。 

b.確定積分時間常數Ti 

比例增益P確定後,設定一個較大的積分時間常數Ti的初值,然後逐漸減小Ti,直至系統出現振盪,之後在反過來,逐漸加大Ti,直至系統振盪消失。記錄此時的Ti,設定PID的積分時間常數Ti爲當前值的150%~180%。積分時間常數Ti調試完成。 

c.確定積分時間常數Td 

積分時間常數Td一般不用設定,爲0即可。若要設定,與確定 P和Ti的方法相同,取不振盪時的30%。 

d.系統空載、帶載聯調,再對PID參數進行微調,直至滿足要求。 

PID三個參數的作用

比例係數 :作用在於加快系統的響應速度,提高系統調節精度。當系統一旦出現了偏差,比例調節立即產生調節作用以減少誤差。 越大,系統響應越快,但將產生超調和振盪甚至導致系統不穩定,因此 的值不能取得過大;但如果 取值過小,過小會降低調節精度,是系統響應速度緩慢,從而延長調節時間,使系統靜、動態特性變壞。


積分系數 :作用在於消除系統的穩態誤差,提高無差度。 越大積分速度越快,系統靜差消除越快,但 過大在響應過程初期會產生積分飽和現象,從而引起響應過程出現較大超調,使動態性能變差; 過小則會使積分作用變弱,使系統的靜差難以消除,過渡時間加長,不能儘快達到穩定狀態,影響系統的調節精度和動態特性。

微分系數 :作用在於改善系統的動態特性,反映系統偏差信號的變化率並預見偏差變化的趨勢,能產生超前的控制作用,使系統的超調降低,增加系統穩定性。但 不能過大,過大則會使響應過程提前制動和延長系統調節時間,而且還會使系統的抗干擾性變差。

比例調節作用:是按比例反應系統的偏差,可以立即產生調節作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調節,減少誤差,但是過大的比例,會使系統的穩定性下降。


積分調節作用:是使系統消除穩態誤差,提高無差度。因爲有誤差,積分調節就進行,直至無差,積分調節停止,積分調節輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數Ti,Ti越小,積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱,加入積分調節可使系統穩定性下降,動態響應變慢。積分作用常與另兩種調節規律結合,組成PI調節器或PID調節器。

微分調節作用:微分作用反映系統偏差信號的變化率,具有預見性,能預見偏差變化的趨勢,因此能產生超前的控制作用,改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適情況下,可以減少超調,減少調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用,因此過強的加微分調節,對系統抗干擾不利。微分作用不能單獨使用,需要與另外兩種調節規律相結合,組成PD或PID控制器。 


 

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