PID算法PPT课件

.,1,PID算法,.,2,PID控制的基本作用,用途广泛、使用灵活，通过调节三个参数（P比例、I积分、D微分）实现对系统控制的调节。有时去除其中的一到两个单元，其中比例控制单元（P）必不可少！,.,3,实例,前提：某水箱漏水，需要通过人工加水的方式保持水箱中的水位近似恒定假设每隔1小时来检测一次水漏的太多假设每隔1分钟来检测一次还没有漏水假设每10分钟来检测一次需要加水的临界点,.,4,加水的方式,假设往水箱中加水一次只能加一个单位容量的水（如一盆），e（t）用桶加水太多溢出，ne(t)用杯子一次加水不能补满(1/n)e(t)用盆刚好能够补充漏的水且水不会溢出1*e(t)加水的工具比例系数,.,5,加水的速度,若直接将水倒入，水不至于溢出，但可能会略高过临界线通过一个漏斗加水漏斗口太小加水速度太慢，赶不上漏水速度增大漏斗口径到一个合适的值漏斗漏水的时间积分时间,.,6,水位控制增加实时性的要求,一旦水位过低，必须及时补充增加一个备用的水箱，水少时通过备用水箱直接补充水（不通过漏斗）避免溢出在水箱临界线上方凿一个洞，并把上方洞中流出的水引入备用的水箱水从凿的洞中流出的时间微分时间,.,7,将偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential）通过线性组合构成控制量，用该控制量对被控对象进行控制，称为PID算法,.,8,模拟PID的控制,给定速度（n0(t)与实际转速(n(t)进行比较，其差值(e(t)经过PID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。,.,9,连续时间PID控制系统,.,10,PID参数控制效果的分析,比例调节参数Kp：按比例反映系统的偏差，系统一旦出现偏差，比例调节立即进行。比例调节是主要的控制部分，但过大，容易产生振动，破坏系统的稳定性（稳定性下降）。增大Kp，系统的反应变灵敏、速度加快、稳态误差减小，但振荡速度加快，调节时间加长,.,11,PID参数控制效果分析,积分调节参数KI：消除系统的静态（稳态）误差，提高系统的控制精度。积分调节会使系统的稳定性下降，动态响应变慢，超调加大。积分调节一般不单独使用，和P或PD共同使用,.,12,PID参数控制效果分析,微分调节参数（KD）：反映系统偏差信号的变化率，可预见偏差的变化趋势，产生超前的控制作用，使偏差尚未形成即被消除。微分控制可提高系统的动态跟踪性能，减小超调量，但对噪声有放大的作用。过强的微分调节会使系统剧烈振荡，对抗干扰不利对于噪声较大的系统一般不用微分，或者在微分之前先对输入信号进行滤波,.,13,问题与缺陷,较小超调和提高控制精度难以两全其美，因为积分作用存在缺陷减小积分静态误差不易消除，有扰动时，误差消除的速度变慢加强积分难以避免超调,.,14,数字PID的实现,模拟数字将模拟PID的控制规律引入数字系统中，由MCU实现PID的控制的过程分为位置式PID和增量式PID两种微分和积分只能采用逼近法处理，采样周期很短时，用求和代替积分，用差商代替微分,.,15,位置式PID,核心：计算机的离散化处理离散化处理的方法为：以T作为采样周期，k作为采样序号，则离散采样时间kT对应着连续时间t，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，可作如下近似变换,.,16,.,17,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式PID控制算法,.,18,位置式PID的缺陷,每次输出均和过去的ek相关，计算时需要累加，工作量大，耗RAM,.,19,增量式PID控制算法,数字控制器的输出只是控制量的增量uk。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，可以使用增量式PID对其进行控制（如驱动步进电机）,.,20,.,21,特点,确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以求出控制量计算量小很多（与位置式相比）位置式PID可由增量式PID推导出递进公式：看不出P、I、D三者直接的关系，只能体现各次误差量对控制作用的影响,.,22,控制器参数的整定,确定调节器的比例系数、积分时间、微分时间以及采样周期的具体数值实质：通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的指标，取得最佳的控制效果方法：对数频率特性法、根轨迹法（理论）试凑法、临界比例法、经验法、衰减曲线法和响应曲线法（工程）,.,23,试凑法,按照P、I、D的顺序设置设置积分时间Ti=，微分时间Td=0，从小到大调节比例系数Kp，直到得到满意的过渡曲线引入积分作用（此时将Kp设置为50%80%Kp），将Ti从大到小进行整定若需引入微分作用（减小超调和振荡），则将Td=0,1或2，并从小到大加入，只有对部分滞后较大的系统，D才可能调的较大,.,24,实验经验法,预选一个足够短的采样周期Ts，一般Ts小于受控对象纯延迟时间的十分之一在选定的Ts使系统工作，去掉积分作用和微分作用，将控制选择为纯比例的控制器，构成闭环运行系统，逐渐减小比例，即加大比例放大系数Kp，直至系统对输入的阶跃信号的响应出现稳定边缘的临界振荡，这是比例放大系数记为Kr，临界振荡的周期记为Kr选择控制度，控制度以连续PID为基准，将数字PID的控制效果与之比较，采用误差的平方作为评价依据，控制度为,.,25,实验经验法,同在最佳整定情况下，数字系统的控制品质高于模拟系统的控制品质根据控制度，查表确定各参数运行与修正,.,26,扩充临界比例度法数字PID控制器的参数计算表,.,27,扩充临界比例度法适合用于具有自平衡特性的系统中！当设计的稳定时间和稳定范围有具体要求时，单纯的拟合逼近无法适应动态环境的要求，而PID控制又难以调整全局，这时通常会将PID算法的比例、积分和微分融入分段拟合中，不断地调节各个控制段的系数，实现精确控制,.,28,.,29,调参口诀,参数整定找最佳，从小到大顺序查。先是比例P后积分I，最后再把微分D加。曲线振荡很频繁，比例度盘要放大。曲线漂浮绕大弯，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。理想曲线两个波，前高后低四比一。一看二调多分析，调节质量不会低。,.,30,响应曲线,1、Speed1_Kp10，即Kp0.01。在转速从0rpm升至2000rpm的响应曲线,.,31,2、Speed1_