PID控制实现、分析和代码-开关控制

PID 控制实现 分析和代码控制实现 分析和代码 开关控制开关控制 作者 八戒悟能 作者 八戒悟能 hongsno2522 PID 控制的资料 理论写的多 真正实现的写的比较少 而且实现的部分 也是算法写的多 实现的程序结构写的少 在这里就避重就轻不涉及理论问题 只是由浅入深的介绍一下 PID 的实现 本文的组织结构先把概念术语列出 然 后介绍一下最容易理解的开关控制 然后介绍下 PID 控制 然后会涉及一下自 整定的问题 最后是参考文献 本文会围绕温度控制系统为例进行说明 温度 分辨率为 1 摄氏度 概念术语概念术语 设定值 set point 简化变量 sp 控制系统要达到的目标值 在温度控制系统中 是设定温度 过程值 process variable 简化变量 pv 控制系统中实际的采样值 在温度控 制系统中是当前采样温度 偏差值 error 简化变量 e e sp pv 偏差值为设定值与过程值之差 开关控制开关控制 on off control 或 bang bang control 在温度控制系统中 当过程值低于设定值时加热 当过程值高于或等于设 定值时停止加热 这是一种最简单最直观的控制方式 这种控制方式可以满足 很大一部分的实 际应用 当然可以想象一下这种控制方式引起的结果是什么样 子呢 假设初始状态 sp 35 度 pv 25 度 这时系统开始加热 温度随之升 高 pv 26 27 28 当 pv 35 时停止加热 系统会逐渐冷却 pv 随之下降 当 pv 34 时系统重新开始加热 pv 随之升高重复先前的过程 这样即使在理想的 情况下 系统也会在 pv 34 和 pv 35 度的区间反复震荡 如下图所示 sp pv 考虑到实际的温度控制系统 可能会有下列的实际情况 温度变化滞后 系统有惯性 所以实际的 pv 变化情况会比上图稍微复杂 实际的温度控制系统还有不得不考虑的因素 开关频率的限制问题 由于 加热器的物理原因 接通和关断不能过于频繁 所以在程序设计时要加以考虑 下面给出以上描述的控制伪代码 if timeFlag 时间标志 使开关频率满足要求的频率 e sp pv if e 0 output high if e err 时系统为开关控制 当进入比例控制区域时进行比例控制 下面给出以上描述的控制伪代码 error sp pv if error err onoff control if error err out p error 这对于开关控制的情况 已经足够使用了 但是对于实际比例控制 还只是概 念而不是实用程序 稍微再讨论下实际例子 假设 out 可以输出为 0 100 上 面的程序可以算出这个百分数 一般还需要把它转化成 0 5v 的控制电压 才算 完成一种比例控制 如果是脉宽调制方式 以改变单位时间 即周期 内平均加热功率的方式来 实现的 如果一个 1000 瓦的电炉在 30 秒钟周期内通电 15 秒钟 断电 15 秒 钟 那么在这个周期内 电炉实际得到的加热功率为 50 即 500 瓦 依次类 推 就可以用简单 的继电器触点通与断之间的时间比值 即用改变 接通 与 关 断 二者占空比的办法 那么程序就需要更多的变量 比如需要脉宽控制的周期值 period 需要当 前的时间 current 这时 out 相当于占空比 也要把它转化为时间概念 duty 那 么用伪代码实现就是 if current duty output low 如何在程序结构中精确的解决好这些时间变量 就是设计比较实用的控制系统 关键了 参考 PID 控制实现 分析和代码控制实现 分析和代码 积分控制积分控制 简单的说积分控制就是对偏差值进行累加 用这个累加值进行加热控制 回到以前的假 设在控制带外是开关控制 当进入控制带内时 偏差值进行累加 很显然刚开始控制加热 的功率不足以使温度上升 但是反复几次后 温度开始上升 这时偏差值仍然再累加 使 加热功率增加温度上升 最终会使偏差值为零 当然这是在积分设置比较合适的情况 如 果积分累加的过于频繁也就是积分作用过大时会使系统震荡 由此可见积分有消除稳态偏 差的作用 在加热系统中如何使系统反应迅速又能消除稳态偏差呢 当然要结合比例和积分的作用 比例相当于提供了迅速反应的大方向 积分则精细的消除稳态偏差 两者的结合可以有效 的达到控制的目的 在数学上用这个表达式 u n Kpe n KI e n 式中 n 采样序号 u n 第 n 次采样时刻的控制器输出 e n 第 n 次采样时刻输入的偏差 KP 比例增益 KI 积分系数 在工程中用这个表达式更合适 C n K E n Ts Ti SumE Ts 采样周期 TI积分时间常数 程序实现的伪代码 Error pp SetPoint MeasurePoin