PID控制及其应用

1、1. 简介PID 控制指的是一种闭环控制方式, 将输入输出偏差的比例 （P）、积分（ I ）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制。2. PID 控制原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID 控制。模拟PID 控制系统原理框图如图 1-1 所示。系统由模拟PID 控制器和被控对象组成。PID 控制器是一种线性控制器， 它根据给定值 rin(t)与实际输出值 yout(t)构成控制偏差PID 的控制规律为或写成传递函数的形式式中， Kp- 比例系数； Ti- 积分时间常数； Td- 微分时间常数。简单说来， PID 控制器各校正环节的作用如下：（ 1）比例环节：成比

2、例地反映控制系统的偏差信号 error(t), 偏差一旦产生，控制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 TI ，TI 越大，积分作用越弱，反之则越强。（ 3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率） ，并能在偏差信号变得太大之前，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。3. 数字 PID 算法原理在计算控制系统中， 使用的是数字 PID 控制器，数字 PID 控制算法通常又分为位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。位置式算法输出的是执行机构的实际位置，如有干扰的

3、话，会导致大幅度变化。而增量式 PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量，所以电机控制一般都采用增量式 PID 算法。增量式 PID 算法公式 :-u( k ) = Kp e(k)+Kie(k)+Kde(k)- e(k-1)-e(k) = e(k) e(k-1)- e(k-1) = e(k-1) e(k-2)-e(k) = r(k) c(k) (因在速度控制导通角上开始是从大变小, 所以该公式须变成c(k)-r(k)参数说明 :k-采样序号 , k = 0, 1, 2-;r(t)-速度给定值 ;c(t)-速度实际输出值 ; u( k )-第 K 次采样时刻的计算机输出增量值；e(k) -第

4、 K 次采样时刻输入的偏差值；e(k-1) -第(k-1) 次采样时刻输入的偏差值;KI -积分系数， KI = K P*T/T I ；KD-微分系数，KD= KP*TD/T ；T-采样调期 ;Kp-比例系数 ;TI -积分时间常数TD-微分时间常数开始计算 KP, KI, KD被设e(k-1) = e(k-2)控制对象计算偏差 值 e(k) = r(k)(包括步进计算控制量 u( k )电动机)输出 u( k )为下一时刻做准备YN采样时间到 ?4. PID 控制参数整定方法PID 控制参数的自动整定分两步进行，第一步是初始确定PID 控制参数；第二步是在初定的 PID 控制参数基础上，根据

5、直线电机控制系统的响应过程和控制目标期望值，修正初定的 PID 参数，直至电机系统的控制指标符合所需求为止 .在数字控制系统中，采样周期 T 是一个比较重要的因素，采样周期的选取，应与 PID 参数的整定综合考虑，选取采样周期时，一般应考虑下列几个因素：（ 1） 采样周期应远小于对象的扰动信号的周期。（ 2） 采样周期应比对象的时间常数小得多，否则采样信号无法反映瞬变过程.（ 3） 对象所要求的调节品质，在计算机运算速度允许的情况下，采样周期短，调节品质好 .（ 4） 性能价格比，从控制性能来考虑，希望采样周期短，但计算机运算速度，以及A/D和 D/A 的转换速度要相应的提高，导致计算机的费用

6、增加。（ 5） 计算机所承担的工作量，如果控制的回路数多，计算量大，则采样周期要加长，反之，可以缩短。由上述分析可知，采样周期受各种因素的影响，有些是相互矛盾的，必须视具体情况和主要的要求作出折中的选择，在直线电机的单片机控制系统中，PID 调节控制过程是在定时中断状态下完成的，因此，采样周期T 的大小必须保证中断服务程序的正常运行。在不影响中断程序运行的情况下，可取采样周期T = 0.1t (t为电机系统的纯滞后时间). 当中断程序的运行时间Tz 大于 0.1t 时，则取 T = Tz.因此，采样周期可按下式确定：初始确定数字 PID 控制参数时，在用上述方法确定的采样周期 T 的条件下，从

7、直线电机的数字 PID 调节控制回路中，去掉数字控制器的微分控制作用和积分控制作用，只采用比例调节环节来确定系统的振荡周期 Ts 和临界比例系数 Ks. 由单片机系统自动控制比例系数 Kp, 并逐渐增大 Kp, 直到电机系统发生持续的等幅振荡，然后由单片机系统自动记录电机系统发生持续的等幅振荡，然后由单片机系统自动记录电机系统发生等幅振荡时的临界比例度 s 和相应的临界振荡周期Ts. s = 1 / KsKs-等幅振荡时的临界比例系数.根据所测得的临界比例度s 和临界振荡周期Ts, 便可初始确定数字PID 的控制参数为利用初始确定的数字PID 控制参数，便可以对直线电机系统进行实时控制，采用人

8、工智能方法实现 PID 控制参数的自动整定，以达到良好的电机控制效果.5. PID 应用程序实例B_Error = (6000000/(_D_Pulse * _D_Clock) * B_AvrSpeed) - B_Speed_Goal;_D_Pulse:马达转一圈产生多少信号, 取决于磁极对数 ,一对则对应一个信号。_D_Clock:单片机定时器最小间隔时间(4MHz时,1us)B_AvrSpeed: HALL 反馈一个信号周期的时间( 单位是 us)B_Speed_Goal: 当前需要的目标速度(rpm), 这个值一般是目标速度除以10, 也就是理论能把电机转速偏差控制在10 转左右 .60

9、00000: 是一分钟 ( 转成 us) 除以 10, 以便跟目标速度相对应 .对应公式为 :e(k) = c(k)- r(k)B_Delta_Error = B_Error - B_Error_1;对应公式为 : e(k) = e(k) e(k-1)B_cal_temp = (_D_Ki *B_Error) +(_D_Kd *(B_Delta_Error - B_Delta_Error_1)<<3) +(_D_Kp *B_Delta_Error)<<4);对应公式为 : u( k ) = Kp e(k)+Kie(k)+Kde(k)- e(k-1)B_KpidM = B

10、_cal_temp >> 9;因理论得出的调整值会很大, 须进行适当的衰减 , 右移 9 位, 相当于除以 512.值太大 , 电机容易跑飞 , 不好控制 , 值太小则加速太慢 , 这个值可以根据调试决定.B_KpidM: 为导通角的调整量if(B_KpidM > 127)B_KpidM = 127;else if(B_KpidM < -127)B_KpidM = -127;以上为增加电机稳定性, 提高抗干扰能力, 防止调整量饱和. 设置每次调整量最大不超过127us. 这个值可以根据转速高低来决定，低速时可适当增大此值( 以改善 HUNTING现象 ) ，高速时可不用那