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第六章控制系统模型 机电一体化系统设计 主要内容6 2PID控制模型 6 2PID控制模型 任何一种控制的实现 都要通过若干个环节 这些环节的有机组合就构成了一个系统 称为控制系统 控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系 控制系统 马上行动 请指出下列控制系统中的输入 输出分别是什么 调速器或档位 风扇的转速 电源的电信号 锅内的温度 电源的电信号 脱粒的量 人手的红外信号 水龙头的出水量 分类 控制系统 开环控制系统 闭环控制系统 案例分析 自动门 自动门的动作过程是怎样的 当门口没有人时 门是关着的 当有人来门口时 门打开 当人离开门口后一段时间 门又关闭 自动门的功能和技术要求 功能 无人时 常关 有人时 开门技术要求 当人距门1m时 门即打开 门打开后 延时10s后关门 自动门如何实现自动开 关的呢 电机 自动门 控制电路 门的开启与关闭 人体热辐射 转动 电机 控制电路 红外传感器 控制器 执行器 控制量 红外传感器 特征 系统的输出量仅受输入量控制 输入量到输出量之间的信号是单向传递 定义 控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响 这种控制称为开环控制系统 开环控制系统 被控对象 执行器 控制器 输入量 控制量 输出量 开环控制系统方框图 控制器 即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件 执行器 即直接对被控对象进行控制的装置或元件 控制量 即执行器的输出信号 输入量 即控制系统的给定量 输出量 即控制系统所要控制的量 被控对象 即控制系统中所要求控制的装置和生产过程 游泳池注水 设定注入时间 游泳池的水位 输入 输出 如果进水管的进水量是均匀的 游泳池中的水位高度与进水的时间是一一对应的 我们可以在注水口处装一个定时器 通过定时器来控制注水的水位 水箱注水控制系统方框图 闭环控制系统 浮球 控制器 阀门 水箱 预设水位 进水量 比较器 供水水箱的水位自动控制系统 实际水位 定义 系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统 特征 系统的输出端与输入端信号之间存在一个回路 反馈回路 简单闭环控制系统的方框图 闭环控制系统 热电偶 控制器 加热器 加热炉 设定温度 比较器 加热炉的温度自动控制系统 热量 温度 温度感应器 控制器 压缩机 储物箱 制冷量 比较器 设定温度 箱内温度 PID概述 按偏差的比例 积分和微分进行控制的调节器简称为PID Proportional Integral Differential 调节器PID调节是目前技术最成熟 应用最广泛的一种调节方式 其调节的实质是根据输入的偏差值 按比例 积分 微分的函数关系进行运算 其运算结果用于输出控制 在实际应用中 根据具体情况 可以灵活地改变PID的结构 取其一部分进行控制 PID控制实现的控制方式 模拟方式 用电子电路调节器 在调节器中 将被测信号与给定值比较 然后把比较出的差值经PID电路运算后送到执行机构 改变给进量 达到调节之目的 数字方式 用计算机进行PID运算 将计算结果转换成模拟量 输出去控制执行机构 标准PID控制算法 模拟PID调节器 比例调节器其中 u 控制器的输出KP 比例系数e 调节器输入偏差u0 控制量的基准 比例作用 迅速反应误差 但不能消除稳态误差 过大容易引起不稳定 比例积分调节器其中 积分时间常数 积分作用 消除静差 但容易引起超调 甚至出现振荡 比例微分调节器其中 微分时间常数 微分作用 减小超调 克服振荡 提高稳定性 改善系统动态特性 比例积分微分调节器1 比例环节 即成比例地反应控制系统的偏差信号e 偏差一旦产生 调节器立即产生控制作用以减小偏差 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 能反应偏差信号的变化趋势 变化速率 并能在偏差信号值变得太大之前 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 减小调节时间 何谓自动控制 一个刚学走路的小孩子想去拿玩具 大脑设定好路线 然后大脑控制双脚去走这条路线 走偏了 眼睛反馈给大脑 大脑校正双脚回到正轨 再次偏离正轨 眼睛再次反馈给大脑 大脑再次校正双脚回到正轨 周而复始 经过一段时间 终于到达玩具所在地 完成任务 这是一个非常完整的自动控制过程 1 控制部分 大脑 这个可理解成PID控制器 2 执行部分 双脚 这个可理解成机器人系统的电机 3 反馈部分 眼睛 这个可理解成机器人系统编码器 作为一个完整的自动控制系统 至少需要包括三个元素 PID控制是自动控制中一种常见的控制方式 采样周期小刘接到老板这样一个任务 右边水缸有点漏水 而且漏水的速度还是变化的 老板要求水面高度维持在目标位置 一旦发现水面高度低于要求位置 就要往水缸里加水 案例阐述PID控制原理 小刘接到任务后就一直守在水缸旁边 时间长就觉得无聊 就跑到房间里看电视 每隔30分钟来检查一次水面高度 因为检查的间隔时间太长 水漏得太快 小刘每次来检查时 水都快漏完了 离要求的高度相差很远 目标水位 小刘把时间改为每3分钟来检查一次 结果每次来检查时 水都没怎么漏 不需要加水 来得太频繁做的是无用功 几次试验后 确定每10分钟来检查一次 水位正好在目标位置 这个检查时间就称为PID采样周期 目标位置 小结 采样的目的主要是为了让每次采样点能代表被控对象的变化情况 如果采样时间太长将引起有用信号的严重丢失 但如果采样时间太短PID控制器运算太频繁 不利于系统的稳定 比例系数 P 它的作用 控制现在的误差 可理解成现在时 小刘发现水漏到目标水位以下后 开始用瓢加水 水龙头离水缸有十几米的距离 小刘要跑好几趟水都加不到目标水位 于是小刘又改为用桶加水 一加就是一桶 跑的次数少 加水的速度也快了 但所加的水很容易超过目标水位 小刘又动脑筋 我不用瓢也不用桶 用盆 几次下来 发现加的水刚刚好 不用跑太多次 水位基本保持目标位 还存有误差 称为静态误差 这个加水工具的大小就称为比例系数 小结单独的比例控制也称 有差控制 其最大优点就是控制及时 迅速 但是 不能最终消除静态误差 克服误差的办法就是在比例控制的基础上加上积分控制 积分 I 时间它的作用 控制过去误差 可以理解成过去时 积分系数 积分状态 记忆 了前面所有的误差 让控制器消除静态误差 小刘又发现用盆加水有时会高过目标位置比较多 他又想了个办法 在水缸上装一个漏斗 一旦发现水位低于目标位置 每次加水不直接倒进水缸 而是用漏斗慢慢加 刚开始用的这个漏斗加水的速度比较慢 有时还赶不上漏水的速度 于是他试着变换不同大小口径的漏斗来控制加水的速度 最后找到了一个合适的漏斗 通过时间的积累 使水面保持在目标位 消除了原来的静态误差 这漏斗的口径就可看作积分时间 小结 积分控制 I 的特点 它能消除静态误差 但是控制缓慢 所以 实用中一般不单独使用积分控制 而是和比例控制作用结合起来 构成比例积分 PI 控制 这样取二者之长 互相弥补 既有比例控制作用的迅速及时 又有积分控制作用消除静态误差的能力 比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器 微分 D 时间它的作用 控制将来误差 可以理解成将来时 PI控制器产生的控制作用总是落后于偏差的变化 被控对象产生误差以后 PI控制器才对这个误差进行控制 而微分控制器根据偏差变化的速度大小来预测将要出现的情况 提前进行过量控制 具有预见性 能预见偏差变化的趋势 因此能产生超前的控制作用 老板对任务的要求突然严了 水位控制的及时性要求大大提高 一旦水位低于目标位 必须立即将水加到要求位置 而且不能高出太多 否则不给工钱 小刘又为难了 于是他又开动脑筋 终于让他想到一个办法 常放一盆备用水在旁边 一发现水位低了 不经过漏斗就是一盆水下去 这样及时性是保证了 但水位有时会高出目标位 他又在目标水位上面一点将水缸开一个孔 再接一根管子到下面的备用桶里 这样多出的水会从上面的孔里漏出来 这个漏水的时间就称为微分时间 小结 微分控制作用的特点是 动作迅速