PID控制及其应用

1、1.简介PID控制指的是一种闭环控制方式，将输入输出偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制。2.PID控制原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。模拟PID控制系统原理框图如图1-1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。nnk)PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值nn（t）与实际输出值yout（t）构成控制偏差error(t)error(t)rinff)rinff) - - you/(/)you/(/)PID的控制规律为= =V V丄（errvrerrvr山十込竺辺）7 7血drdr或写成传递函数的形式曲沪誥hh护丁

2、a式中，Kp-比例系数；Ti-积分时间常数；Td-微分时间常数。简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：（1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号error（t）,偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。（2）积分环节：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TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），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。3.数字PID算法原理在计算控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位

3、置式PID控制算法和增量式PID控制算法。位置式算法输出的是执行机构的实际位置，如有干扰的话，会导致大幅度变化。而增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量，所以电机控制一般都采用增量式PID算法。增量式PID算法公式：积分一id粒莎-u( k ) = K pe(k)+Kie(k)+Kde(k)-e(k-1)-e(k) = e(k)-e(k-1)e(k-1) = e(k-1)-e(k-2)- e(k) = r(k)c(k)-r(k)-c(k)(因在速度控制导通角上开始是从大变小,所以该公式须变成参数说明:k-采样序号, k = 0,1, 2-;r(t) -速度给定值;c(t) -速度实际

4、输出值;u( k )-第K次采样时刻的计算机输出增量值;e(k) -第K次采样时刻输入的偏差值；e(k-1) -第(k-1)次采样时刻输入的偏差值；KI-积分系数，KI= KP*T/TI;微分系数，KD= KP*TD/T;采样调期；比例系数；积分时间常数微分时间常数KDT-KpTI-TD(5)4.PID控制参数整定方法PID控制参数的自动整定分两步进行，第一步是初始确定PID控制参数；第二步是在初定的PID控制参数基础上，根据直线电机控制系统的响应过程和控制目标期望值，修正初 定的PID参数，直至电机系统的控制指标符合所需求为止.在数字控制系统中，采样周期T是一个比较重要的因素，采样周期的选取

5、，应与的整定综合考虑，选取采样周期时，一般应考虑下列几个因素：采样周期应远小于对象的扰动信号的周期。采样周期应比对象的时间常数小得多，否则采样信号无法反映瞬变过程.对象所要求的调节品质，在计算机运算速度允许的情况下，采样周期短，调节品质 好.性能价格比，从控制性能来考虑，希望采样周期短，但计算机运算速度，以及和D/A的转换速度要相应的提高，导致计算机的费用增加。计算机所承担的工作量，如果控制的回路数多，计算量大，则采样周期要加长，反 之，可以缩短。由上述分析可知，采样周期受各种因素的影响， 有些是相互矛盾的， 必须视具体情况和主要 的要求作出折中的选择，在直线电机的单片机控制系统中，PID调节

6、控制过程是在定时中断 状态下完成的，因此，采样周期T的大小必须保证中断服务程序的正常运行。在不影响中被控制对餐包括步进电动机PID参数A/D可取采样周期T = (t为电机系统的纯滞后时间).当中断程序的运行T = Tz.因此，采样周期可按下式确定：初始确定数字PID控制参数时，在用上述方法确定的采样周期T的条件下，从直线电机的数字PID调节控制回路中，去掉数字控制器的微分控制作用和积分控制作用，只采用比例 调节环节来确定系统的振荡周期Ts和临界比例系数Ks.由单片机系统自动控制比例系数Kp,并逐渐增大Kp,直到电机系统发生持续的等幅振荡，然后由单片机系统自动记录电机系统发生持续的等幅振荡，然后

7、由单片机系统自动记录电机系统发生等幅振荡时的临界比例度Ss和相应的临界振荡周期Ts.Ks-等幅振荡时的临界比例系数.根据所测得的临界比例度ss和临界振荡周期TS,便可初始确定数字PID的控制参数为Kp = 0上危存Ti = 0*5丁沙丁D = Oa25K采样周期r r取定为SO,OST, 11-05T,利用初始确定的数字PID控制参数，便可以对直线电机系统进行实时控制，采用人工智能 方法实现PID控制参数的自动整定，以达到良好的电机控制效果.5. PID应用程序实例B_Error = (6000000/(_D_ Pulse * _D_Clock) * B_AvrS peed) - B_Sp e

8、ed_Goal;_D_Pulse:马达转一圈产生多少信号，取决于磁极对数，一对则对应一个信号。_D_Clock:单片机定时器最小间隔时间(4MHz时,1us)B_AvrSpeed: HALL反馈一个信号周期的时间(单位是us)B_Speed_Goal:当前需要的目标速度(rpm),这个值一般是目标速度除以10,也就是理论能把电机转速偏差控制在10转左右.6000000:是一分钟(转成us)除以10,以便跟目标速度相对应.对应公式为：e(k) = c(k)- r(k)B_Delta_Error = B_Error - B_Error_1;对应公式为：e(k) = e(k)-e(k-1)B_cal

9、_te mp = (_D_Ki *B_Error) +(_D_Kd *(B_Delta_Error - B_Delta_Error_1)3) +(_D_K p *B_Delta_Error) 9;因断程序运行的情况下，时间Tz大于时，则取O.lr7T, OJr0,057；T, C.05T理论得出的调整值会很大,须进行适当的衰减,右移9位,相当于除以512.值太大,电机容易跑飞,不好控制,值太小则加速太慢,这个值可以根据调试决定. B_KpidM:为导通角的调整量if(B_KpidM 127) B_KpidM = 127; elSe if(B_KpidM -127) B_KpidM = -127; 以上为增加电机稳定性,提高抗干扰能力,防止调整量饱和.设置每次调整量最大不超过127US.这个值可以根据转速高低来决定，低速时可适当增大此值（以改善HUNTING现象）, 高速时可不用那么大。B_