电子设计课程PID课件汇编

1、1PID控制技术控制技术 主要介绍主要介绍PID调节器的优点、原理、数字实现，调节器的优点、原理、数字实现，PID参数参数的整定的整定,PID的程序实现以及的程序实现以及PID的应用等。的应用等。 21 模拟PID控制 将偏差的比例（将偏差的比例（Proportion）、积分（）、积分（Integral）和微分）和微分（Differential）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。控制器。 31.1 模拟模拟PID控制原理控制原理 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是在

2、模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。为了控制。为了说明控制器的工作原理，先看一个例子。如图说明控制器的工作原理，先看一个例子。如图11所示是一个小所示是一个小功率直流电机的调速原理图。给定速度与实际转速进行比较，其功率直流电机的调速原理图。给定速度与实际转速进行比较，其差值经过差值经过PID控制器调整后输出电压控制信号，经过功率放大后，控制器调整后输出电压控制信号，经过功率放大后，驱动直流电动机改变其转速。驱动直流电动机改变其转速。 4常规的模拟常规的模拟PID控制系统原理控制系统原理51、 比例部分比例部分 在模拟在模拟PID控制器中，控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作比

3、例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比控制作用的强弱取决于比例系数，比例系数越大，控制作用越强，则过渡过程越例系数，比例系数越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是快，控制过程的静态偏差也就越小；但是越大，也越容越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数选择。故而，比例系数选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果

4、。 0ueKup62 2、 积分部分积分部分 从积分部分的数学表达式可以知道，从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控只要存在偏差，则它的控制作用就不断的增加制作用就不断的增加；只有在偏差时，它的积分才能是一个；只有在偏差时，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。可见，积分部分常数，控制作用才是一个不会增加的常数。可见，积分部分可以消除系统的偏差。可以消除系统的偏差。 积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。响应速度，增加系统的超调量。积分常数越大，积分的积累积分常数

5、越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡；但是增大积分；但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当TiTi较小时，较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定体要求来确定TiTi。 00)1(uedtTeK

6、utIPT TI I积分时间常数积分时间常数 73、 微分部分微分部分 实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应（比例环节的作用），而且对偏差量做出立即响应（比例环节的作用），而且要根据要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，。为了实现这一作用，可在可在PIPI控制器的基础上加入微分环节，形成控制器的基础上加入微分环节，形成PIDPID控制器。控制器。 微分环节的

7、作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋微分环节的作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速稳定，特别对髙阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声，对那些噪声较大的

8、系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波信号进行滤波。 00)1(udtdeTedtTeKuDtIPTD微分时间 82 数字数字PID控制控制 由于计算机的出现，计算机进入了控制领域。人们将模由于计算机的出现，计算机进入了控制领域。人们将模拟拟PIDPID控制规律引入到计算机中来。对控制规律引入到计算机中来。对PIDPID控制规律进控制规律进行适当的变换，就可以用软件实现行适当的变换，就可以用软件实现PIDPID控制，即数字控制，即数字PIDPID控制。控制。 数字式数字式PID控制算法可以分为位置式控制算法可以分为位置式PID

9、和增量式和增量式PID控制算法控制算法。 92.1 位置式位置式PID算法算法 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量，进行计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制。使得表达式中的连续控制。使得表达式中的积分项和微分项不能直接使用积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理必须进行离散化处理。离散化处理的方法为：以离散化处理的方法为：以T T作为采样周期，作为采样周期，k k作为采样序号，则作为采样序号，则离散采样时间离散采样时间kTkT对应着连续时间对应着

10、连续时间t t ，用矩形法数值积分近似，用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，可作如下近似变代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，可作如下近似变换：换：10上式中，为了表示的方便，将上式中，为了表示的方便，将e (kT) 类似于简化成类似于简化成ek等。得到离等。得到离散的散的PID表达式为表达式为 000(0,1,2,3)( )( )( )( )()(1) )( )(1)kktjjtkT ke t dtTe jTe jde te kTe kTe ke kdtTT11如果采样周期足够小，近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制过程与如果采样周期足够小，近似计算可以获得足够精

11、确的结果，离散控制过程与连续过程十分接近。连续过程十分接近。它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式式PID控制算法控制算法010( )( ( )( )( ( )(1)( )(1)( )( )kDpjkpidjTTu kke ke je ke kTTe ke kk e kke j TkT12这种算法的这种算法的缺点缺点是：是： 由于全量输出，所以每次输出均与过去状态由于全量输出，所以每次输出均与过去状态ek有关，计算时有关，计算时要对进行累加，工作量大；要对进行累加，工作量大； 并且因为计算机输出的对应的是执行机构的实际位置，如果并且因

12、为计算机输出的对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的将大幅度变化，会引起执行机构的计算机出现故障，输出的将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故，这在实生产大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故，这在实生产际中是不允许的。际中是不允许的。 132.2 增量式增量式PID算法算法 所谓增量式所谓增量式PID是指数字控制器的输出是指数字控制器的输出只是控制量的增量只是控制量的增量uk。当。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式可以使用增量式PID控制算法进行控制控制

13、算法进行控制。 14如果计算机控制系统采用恒定的采样周期如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定，一旦确定A、B、C，只要使用只要使用前后三次测量的偏差值前后三次测量的偏差值，就可以求出控制量。，就可以求出控制量。 增量式增量式PID控制算法与位置式控制算法与位置式PID算法相比，计算量小得多，因算法相比，计算量小得多，因此在实际中得到广泛的应用。此在实际中得到广泛的应用。 而位置式而位置式PID控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式：公式： 就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推PID控制

14、算法。控制算法。 152.3 控制器参数整定控制器参数整定 控制器参数整定：控制器参数整定：指决定调节器的比例系数、积分时间指决定调节器的比例系数、积分时间TiTi、微分、微分时间时间TdTd和采样周期和采样周期TsTs的具体数值的具体数值。整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。 整定调节器参数的方法很多，归纳起来可分为两大类，即整定调节器参数的方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计理论计算整定法和工程整定法算整定法

15、和工程整定法。理论计算整定法有理论计算整定法有对数频率特性法对数频率特性法和和根轨迹法根轨迹法等；等；工程整定法有工程整定法有凑试法、临界比例法、经验法、衰减曲线法和响应凑试法、临界比例法、经验法、衰减曲线法和响应曲线法曲线法等。工程整定法特点不需要事先知道过程的数学模型，等。工程整定法特点不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定方法简单、计算简便、易直接在过程控制系统中进行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握。于掌握。 162.3.1 凑试法 按照先比例（按照先比例（P）、再积分（）、再积分（I）、最后微分（）、最后微分（D）的顺序。）的顺序。 置调节器积分时间置调节器

16、积分时间Ti=，微分时间，微分时间Td=0，在比例系数，在比例系数Kp按经验按经验设置的初值条件下，将系统投入运行，由小到大整定比例系设置的初值条件下，将系统投入运行，由小到大整定比例系数数Kp 。求得满意的过渡过程曲线。求得满意的过渡过程曲线。引入积分作用（此时应将上述比例系数引入积分作用（此时应将上述比例系数Kp设置为设置为5/6 Kp ）。将）。将Ti由大到小进行整定。由大到小进行整定。若需引入微分作用时，则将若需引入微分作用时，则将Td按经验值或按按经验值或按Td=（1/31/4）设）设置，并由小到大加入。置，并由小到大加入。 172.3.2 临界比例法 在闭环控制系统里，将调节器置于

17、纯比例作用下，从小到大逐在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例系数，得到渐改变调节器的比例系数，得到等幅振荡的过渡过程等幅振荡的过渡过程。此时的比例系数称为此时的比例系数称为临界比例系数临界比例系数，相邻两个波峰间的时间间，相邻两个波峰间的时间间隔，称为隔，称为临界振荡周期临界振荡周期Tu。 18192.3.3 经验法经验法 用凑试法确定用凑试法确定PID参数需要经过多次反复的实验，为了减少凑试次数，提高参数需要经过多次反复的实验，为了减少凑试次数，提高工作效率，可以借鉴他人的经验，并根据一定的要求，事先作少量的实验，工作效率，可以借鉴他人的经验，并根据一定的

18、要求，事先作少量的实验，以得到若干基准参数，然后按照经验公式，用这些基准参数导出以得到若干基准参数，然后按照经验公式，用这些基准参数导出PID控制控制参数，这就是经验法。参数，这就是经验法。 临界比例法就是一种经验法。这种方法首先将控制器选为纯比例控制器，并临界比例法就是一种经验法。这种方法首先将控制器选为纯比例控制器，并形成闭环，改变比例系数，使系统对阶跃输入的响应达到临界状态，这时形成闭环，改变比例系数，使系统对阶跃输入的响应达到临界状态，这时记下比例系数、临界振荡周期为记下比例系数、临界振荡周期为Tu，根据，根据ZN提供的经验公式，就可以提供的经验公式，就可以由这两个基准参数得到不同类型

19、控制器的参数，如表由这两个基准参数得到不同类型控制器的参数，如表21所示所示20这种临界比例法使针对模拟这种临界比例法使针对模拟PIDPID控制器，对于数字控制器，对于数字PIDPID控制器，控制器，只要采样周期取的较小，原则上也同样使用只要采样周期取的较小，原则上也同样使用。在电动机的控制中，可以先采用临界比例法，然后在采用临界在电动机的控制中，可以先采用临界比例法，然后在采用临界比例法求得结果的基础上，用凑试法进一步完善。比例法求得结果的基础上，用凑试法进一步完善。 212.3.4 2.3.4 采样周期的选择采样周期的选择 香农（香农（Shannon）采样定律）采样定律 ：为不失真地复现信

20、号的变化，采样频率至少：为不失真地复现信号的变化，采样频率至少应大于或等于连续信号最高频率分量的二倍。根据采样定律可以确定采应大于或等于连续信号最高频率分量的二倍。根据采样定律可以确定采样周期的上限值。实际采样周期的选择还要受到多方面因素的影响，不样周期的上限值。实际采样周期的选择还要受到多方面因素的影响，不同的系统采样周期应根据具体情况来选择。同的系统采样周期应根据具体情况来选择。 采样周期的选择，采样周期的选择，通常按照过程特性与干扰大小适当来选取采样周期通常按照过程特性与干扰大小适当来选取采样周期：即：即对于响应快、（如流量、压力）波动大、易受干扰的过程，应选取较短对于响应快、（如流量、

21、压力）波动大、易受干扰的过程，应选取较短的采样周期；反之，当过程响应慢（如温度、成份）、滞后大时，可选的采样周期；反之，当过程响应慢（如温度、成份）、滞后大时，可选取较长的采样周期。取较长的采样周期。 采样周期的选取应与采样周期的选取应与PID参数的整定进行综合考虑参数的整定进行综合考虑，采样周期应远小于过，采样周期应远小于过程的扰动信号的周期，程的扰动信号的周期，在执行器的响应速度比较慢时在执行器的响应速度比较慢时，过小的采样周期，过小的采样周期将失去意义，因此可将失去意义，因此可适当选大一点适当选大一点；在计算机运算速度允许的条件下，；在计算机运算速度允许的条件下，采样周期短，则控制品质好

22、；当过程的纯滞后时间较长时，一般选取采采样周期短，则控制品质好；当过程的纯滞后时间较长时，一般选取采样周期为纯滞后时间的样周期为纯滞后时间的1/41/8。 222.4 2.4 参数调整规则的探索参数调整规则的探索 23PID计算子函数计算子函数:242526响应曲线响应曲线 1、 Speed1_Kp10，即Kp0.01。在转速从0rpm升至2000rpm的响应曲线272、 Speed1_Kp105，即Kp0.105。在转速从0rpm升至2000rpm的响应曲线283、 Speed1_Kp180，即Kp0.180。在转速从0rpm升至2000rpm的响应曲线294、 Speed1_Kp250，即

23、，即Kp0.250。在转速从。在转速从0rpm升至升至2000rpm的响应曲线的响应曲线3031323334353637 通过对上述器件的同等条件测试下，得到如上表所示规律。通过对上述器件的同等条件测试下，得到如上表所示规律。由于赛道条件，最近距离由于赛道条件，最近距离1.5m,1.5m,最远处有最远处有3m,3m,小汽车灯泡作为小汽车灯泡作为光源，发出的光线中有比较多的红外线成分，利用光敏二极光源，发出的光线中有比较多的红外线成分，利用光敏二极管的较宽检测范围，红外接收管较强的方向性和抗干扰能力，管的较宽检测范围，红外接收管较强的方向性和抗干扰能力，选择光敏二极管和红外接收管两者优点相结合的

24、方式是最佳选择光敏二极管和红外接收管两者优点相结合的方式是最佳选择选择3839 此方案中由光敏元件需要选取检测范围较大的光敏二极管，光线从侧面照射到此方案中由光敏元件需要选取检测范围较大的光敏二极管，光线从侧面照射到感光面时亦有较高的感应电压，前方检测距离也不错。感光面时亦有较高的感应电压，前方检测距离也不错。 通过试验电路，结果表明，利用直流电机驱动炮塔的光源检测方案有诸多优点：通过试验电路，结果表明，利用直流电机驱动炮塔的光源检测方案有诸多优点： 单片机端口资源利用少，无需多路单片机端口资源利用少，无需多路AD 口采集数据，只提取两路口采集数据，只提取两路AD 信号；电机信号；电机控制方法

25、简单，无需程序设定旋转方向等，硬件自动实现光源精确定位；控控制方法简单，无需程序设定旋转方向等，硬件自动实现光源精确定位；控制精确，微量的入射光线量都会引起电机旋转，调节到中心位置。制精确，微量的入射光线量都会引起电机旋转，调节到中心位置。但该方案也有许多不足之处，直流电机不易受单片机控制，旋转角度无法程序有但该方案也有许多不足之处，直流电机不易受单片机控制，旋转角度无法程序有效控制，对于固定角度旋转比较困难；只用两路传感器使得检测范围有局限，当效控制，对于固定角度旋转比较困难；只用两路传感器使得检测范围有局限，当光源从背后入射时检测很困难；无法通过软件方式使炮塔炮击后准确复位。光源从背后入射

26、时检测很困难；无法通过软件方式使炮塔炮击后准确复位。4041 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在

27、速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 将电路处理后的信号送入单片机，经过单片机逻辑时序控制步进电机准确旋将电路处理后的信号送入单片机，经过单片机逻辑时序控制步进电机准确旋转一定角度，使得炮塔旋转方位准确可控，更方便软件复位，反馈控制电机转一定角度，使得炮塔旋转方位准确可控，更方便软件复位，反馈控制电机角度偏差，形成闭环控制，通过实验可知，当利用其他多路角度偏差，形成闭环控制，通过实验可知，当利用其他多路AD 信号采集处理，信号采集处理，将光源大致方位确定后，利用另外两路相近传感器进行微调使得光源定位精将光源大致方位确定后

28、，利用另外两路相近传感器进行微调使得光源定位精确，稳定，可靠。确，稳定，可靠。4243（5) 外界环境干扰及其消除光敏电阻和光敏二极管极易受外外界环境干扰及其消除光敏电阻和光敏二极管极易受外 界环境光线影响，白天和晚上测试效果差异很大，为此界环境光线影响，白天和晚上测试效果差异很大，为此 专门在传感器周围加上热缩管作为遮光套管，长短合适的专门在传感器周围加上热缩管作为遮光套管，长短合适的 遮光管能有效地抑制环境光的干扰遮光管能有效地抑制环境光的干扰。44、方案确定、方案确定基于以上方案的优缺点比较，本设计采用基于以上方案的优缺点比较，本设计采用MSP430 MSP430 对步进电机对步进电机进行控制方案，带动炮塔，实行光源的精确定位。传感器布局进行控制方案，带动炮塔，实行光源的精确定位。传感器布局和制作采用