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文档简介
PID控制技术目录1PID控制简介24.2PID各环节对控制系统的影响34.1PID控制的原理和特点44.3PID参数的调整方法54.4PID应用实例PID控制简介
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时,控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器(仪表)已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用,有各种各样的PID控制器产品,各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器,其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC),还有可实现PID控制的PC系统等等。4.1PID控制的原理和特点
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。4.1.1模拟PID
在模拟控制系统中,调节器最常用的控制规律是PID控制,常规PID控制系统原理框图如图所示,系统由模拟PID调节器、执行机构及控制对象组成。图4-1模拟PID控制系统原理框图4.1.1模拟PIDPID调节器是一种线性调节器,它根据给定值与实际输出值
构成的控制偏差:
将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量,对控制对象进行控制,故称为PID调节器。
在实际应用中,常根据对象的特征和控制要求,将P、I、D基本控制规律进行适当组合,以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如,P调节器,PI调节器,PID调节器等。模拟PID调节器的控制规律为:4.1.1模拟PID简单的说,PID调节器各校正环节的作用是:
(1)比例环节:即时成比例地反应控制系统的偏差信号,偏差一旦产生,调节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
,
越大,积分作用越弱,反之则越强;
(3)微分环节:能反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号的值变得太大之前,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。4.1.2数字PID1、位置型PID控制算法
在DDC系统中,用计算机取代了模拟器件。
由于计算机只能识别数字量,不能对连续的控制算式直接进行运算,故在计算机控制系统中,首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。
为将模拟PID控制规律离散化,我们把式4-1中
、
、
在第n次采样的数据分别用
、
、
表示,于是式(4-1)变为:4.1.2
数字PID
当采样周期T很小时
可以用T近似代替,
可用
近似代替,“积分”用“求和”近似代替,即可作如下近似4.1.2数字PID这样便可离散化以下差分方程:第三项起微分控制作用,称为微分(D)项
即上式中
是偏差为零时的初值,上式中的第一项起比例控制作用,称为比例(P)项,即
第二项起积分控制作用,称为积分(I)项4.1.2数字PID4.1.2数字PID
这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并使用,常用的组合有:P控制:PI控制:
PD控制:
PID控制:
以上式的输出量
为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。如(阀门开度,电机转速等),即输出值与阀门开度(电机转速)一一对应,所以称为位置式PID控制算法。4.1.2数字PID实用位置型PID算法
由式4-15可以看出,每次输出与过去的状态有关,要想计算U(k),不仅涉及到e(n-1)和e(k-2),且须将e(n)历次相加。上式计算复杂,浪费内存。考虑到第n-1次采样时有:4.1.2数字PID
式(4-17)为实用型算法公式,由(4-17)可以看出,如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T,一旦确定
、
、
只要使用前后三次测量的偏差值,就可以由求出控制量U(n)。式4-17中4.1.2数字PID图4-2位置型PID算法程序流程图4.1.2数字PID2、增量型PID算法
当执行机构需要的不是控制量的绝对数值,而是其增量(例如去驱动步进电机)时,要采用PID增量式控制算法。
位置型控制算式不够方便,这是因为要累加偏差,不仅要占用较多的存储单元,而且不便于编写程序,为此对其进行改进。根据式(4-7)不难看出u(n-1)的表达式,即:4.1.2数字PID
增量式PID控制算法与位置式PID算法相比,计算量小得多,因此在实际中得到广泛的应用。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公式。令4.1.2数字PID图4-3增量式PID算法程序流程图4.1.2数字PID3.增量式PID算法的优点
(1)位置式算法每次输出与整个过去状态有关,计算式中要用到过去偏差的累加值,容易产生较大的积累误差。而增量式只需计算增量,当存在计算误差或精度不足时,对控制量计算的影响较小
(2)对于位置式算法,控制从手动切换到自动时,必须先将计算机的输出值设置为原始阀门开度u0,才能保证无冲击切换。如果采用增量算法,则由于算式中不出现u0,易于实现手动到自动的无冲击切换。此外,在计算机发生故障时,由于执行装置本身有寄存作用,故可仍然保持在原位。4.1.2数字PID4.应用
若执行部件不带积分部件,其位置与计算机输出的数字量是一一对应的话(如电液伺服阀),就要采用位置式算法。若执行部件带积分部件(如步进电机、步进电机带动阀门或带动多圈电位器)时,就可选用增量式算法。4.2PID各环节对控制系统的影响
在单回路控制系统中,由于扰动作用使被控参数偏离给定值,从而产生偏差。自动控制系统的调节单元将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分(PID)运算,并输出统一标准信号,去控制执行机构的动作,以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺参数的自动控制。
比例作用P与偏差成正比;积分作用I是偏差对时间的积累;微分作用D是偏差的变化率;各环节对控制系统有不同的影响。4.2PID各环节对控制系统的影响1、比例(P)控制
比例控制能迅速反应误差,从而减少稳态误差。
当期望值有一个变化时,系统过程值将产生一个稳态误差。但是,比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大,会引起系统的不稳定。4.2PID各环节对控制系统的影响图4-4
比例(P)控制阶跃响应4.2PID各环节对控制系统的影响
如上图所示,控制作用的强弱取决于比例系数Kp,比例系数Kp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Kp越大,也越容易产生振荡,破坏系统的稳定性。故而,比例系数Kp选择必须恰当,才能过渡时间少,静差小而又稳定的效果。4.2PID各环节对控制系统的影响2、积分(I)控制
在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
为了减小稳态误差,在控制器中加入积分项,积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即使误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减少,直到等于零。4.2PID各环节对控制系统的影响图4-5积分(I)控制和比例积分(PI)控制阶跃相应4.2PID各环节对控制系统的影响3、微分(D)控制
在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
微分环节的作用是阻止偏差的变化。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,微分控制器的输出就越大,并能在偏差值变大之前进行修正。4.2PID各环节对控制系统的影响
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。
但微分的作用对输入信号的噪声很敏感,对那些噪声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。
微分部分的作用由微分时间常数Td决定。Td越大时,则它抑制偏差e(t)变化的作用越强;Td越小时,则它反抗偏差e(t)变化的作用越弱。微分部分显然对系统稳定有很大的作用。4.2PID各环节对控制系统的影响图4-6微分(D)控制和比例微分(PD)控制阶跃相应4.2PID各环节对控制系统的影响4、总结:PI比P少了稳态误差,PID比PI反应速度更快并且没有了过冲。PID比PI有更快的响应和没有了过冲。所谓过冲主要指输出超过了设定值。图4-7典型的PID控制器对于阶跃跳变参考输入的响应4.3数字PID参数整定方法
如何选择控制算法的参数,要根据具体过程的要求来考虑。
一般来说,要求被控过程是稳定的,能迅速和准确地跟踪给定值的变化,超调量小,在不同干扰下系统输出应能保持在给定值,操作变量不宜过大,在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。
显然,要同时满足上述各项要求是很困难的,必须根据具体过程的要求,满足主要方面,并兼顾其它方面。4.3数字PID参数整定方法PID调节器的参数整定方法有很多,但可归结为理论计算法和工程整定法两种。用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型,这在工业过程中一般较难做到。因此,实际用得较多的还是工程整定法。这种方法最大优点就是整定参数时不依赖对象的数学模型,简单易行。当然,这是一种近似的方法,有时可能略嫌粗糙,但相当适用,可解决一般实际问题。4.3数字PID参数整定方法经验法
经验法是靠工作人员的经验及对工艺的熟悉程度,参考测量值跟踪与设定值曲线,来调整P、I、D三者参数的大小的,具体操作可按以下口诀进行:参数整定找最佳,从小到大顺序查;先是比例后积分,最后再把微分加;曲线振荡很频繁,比例度盘要放大;曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳;曲线偏离回复慢,积分时间往下降;曲线波动周期长,积分时间再加长;曲线振荡频率快,先把微分降下来;动差大来波动慢,微分时间应加长。4.3数字PID参数整定方法下面以PID调节器为例,具体说明经验法的整定步骤:①让调节器参数积分系数=0,实际微分系数=0,控制系统投入闭环运行,由小到大改变比例系数
,让扰动信号作阶跃变化,观察控制过程,直到获得满意的控制过程为止。②取比例系数
为当前的值乘以0.83,由小到大增加积分系数
,同样让扰动信号作阶跃变化,直至求得满意的控制过程。③积分系数
保持不变,改变比例系数
,观察控制过程有无改善,如有改善则继续调整,直到满意为止。否则,将原比例系数
增大一些,再调整积分系数
,力求改善控制过程。如此反复试凑,直到找到满意的比例系数
和积分系数
为止。4.3数字PID参数整定方法④引入适当的实际微分系数
和实际微分时间
,此时可适当增大比例系数
和积分系数
。和前述步骤相同,微分时间的整定也需反复调整,直到控制过程满意为止。PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如:大烘房的温度控制,一般P可在10以上,I在(3、10)之间,D在1左右。小惯量如:一个小电机闭环控制,一般P在(1、10)之间,I在(0、5)之间,D在(0.1、1)之间,具体参数要在现场调试时进行修正。4.4.1单容水箱恒液位值控制4.4.1单容水箱恒液位值控制1、简介
单容水箱液位控制系统是一个单回路反馈控制系统,它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度;并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求,故它在过程控制中得到广泛地应用。图4-8单容水箱液位控制系统结构图4.4.1单容水箱恒液位值控制2、硬件连接图本实例选用的液位变送器为两线制电流信号变送器,检测范围为0—10Kpa,输出信号为4-20mA电流信号,以Arduino作为PID控制器时,采集的是0-5V电压信号因此与液位传感器串联一个250Ω的电阻。水泵为微型直流隔膜水泵,额定工作电压为24V;功率驱动器输入信号为0-5V,支持电压9V~24V电机。4.4.1单容水箱恒液位值控制4.4.2PID智能控制器1、PID智能控制器简介
采用PID智能控制器进行控制操作简单,开发人员无需对算法程序进行编写,调试,只需按照说明书要求对硬件进行连接,然后对仪表参数进行设定,即可完成一个单回路的PID控制。
目前市场上出售的PID智能控制器种类繁多,本书以HYC1系列PID智能控制器为例进行讲解,HYC1系列PID智能控制器与各类传感器、变送器配合,可实现对温度、压力、液位、成分等过程量的测量、变换、显示、通讯和控制。适用于电压、电流、热电阻、热电偶、mV、电位器、远传压力表等信号类型4.4.1PID智能控制器图4-11PID智能控制器接线图4.4.2PID智能控制器
智能控制器接线端子包括:输入信号、控制输出、变送输出、报警输出、通讯接口、电源等端子构成。此类智能控制器,只需将电源、传感器、控制输出、报警等端按照说明书连接好,,然后通控制器面板设定好相关参数即可构成一个闭环控制系统。4.4.3Arduino作为控制器1、位置型PID算法程序1#include<PID_v1.h>//DefineVariableswe'llbeconnectingtodoubleSetpoint,Input,Output;//SpecifythelinksandinitialtuningparametersPIDmyPID(&Input,&Output,&Setpoint,8,2,0,DIRECT);voidsetup(){//initializethevariableswe'relinkedtoInput=analogRead(0);Setpoint=500;Serial.begin(1200);//turnthePIDonmyPID.SetMode(AUTOMATIC);}voidloop(){Input=analogRead(0);myPID.Compute();analogWrite(3,Output);Serial.println("shuru");Serial.println(Input);Serial.println("shuchuu");Serial.println(Output);}4.4.2Arduino作为控制器4.4.2Arduino作为控制器
将传感器连接到模拟量输入引脚0,模拟量输出量引脚3连接到功率放大器,将此程序烧录到Arduino开发板,调试后即可完成了一个简单的单回路液位PID控制系统。以上程序通过调用PID库文件而完成了PID控制,程序简单易行,对于程序开发来说大大缩短了开发周期。4.4.2Arduino作为控制器样例程序中,PIDmyPID(&Input,&Output,&Setpoint,2,5,1,DIRECT)用于对比例系数、积分系数、微分系数的初始化设置,如本例中的比例系数是2,积分系数5,微分系数1。库函数中的myPID.SetMode(AUTOMATIC),用于选择PID控制模式,AUTOMATIC代表自动模式,Manual表示手动模式。库函数中的myPID.Compute()是PID计算子函数,用于对输出值进行计算。4.4.2Arduino作为控制器本样例程序增加了串口通讯子函数Serial.begin(1200),Serial.println("shuru");Serial.println(Input);
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