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PID控制及其应用

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学习文档 仅供参考 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，反之那么越强。

（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: 学习文档 仅供参考

----△u( k ) = Kp△e(k)+Kie(k)+Kd[△e(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次采样时刻的电脑输出增量值；

e(k)----------第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 = KP*T/TI；

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 学习文档 仅供参考

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控制参数根底上，根据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，一般应考虑以下几个因素：

（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，否那么采样信号无法反映瞬变过程.

（3） 对象所要求的调节品质，在电脑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，但电脑运算速度，以及A/D和D/A的转换速度要相应的提高，导致电脑的费用增加。

（5） 电脑所承担的工作量，如果控制的回路数多，计算量大，那么采样周期要加长，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效劳程序的正常运行。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).当中断程序的开始

计算 KP, KI, KD

设e(k-1) = e(k-2) =

计算偏差值e(k) = r(k) – c(k)

计算控制量△u( k )

△u( k ) = Kp△e(k)+Kie(k)+Kd[△e(k)-△e(k-1)]

输出△u( k )

为下一时刻做准备

e(k-2) = e(k-1), e(k-1) = e(k)

采样时间到? 被控制对象(包括步进电动机)

Y N 学习文档 仅供参考 运行时间Tz大于0.1t时，那么取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δs和相应的临界振荡周期Ts.

δs = 1 / Ks

Ks-----等幅振荡时的临界比例系数.

根据所测得的临界比例度δs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，采用人工智能方法实现PID控制参数的自动整定，以到达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, 一对那么对应一个信号。

_D_Clock: 单片机定时器最小间隔时间(4MHz时,1us)

B_AvrSpeed: HALL反响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.

6000000: 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)+Kd[△e(k)-△e(k-1)]

B_KpidM = B_cal_temp >> 9; 学习文档 仅供参考 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,值太小那么加速太慢,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上下来决定，低速时可适当增大此值(以改善HUNTING现象)，高速时可不用那么大。

B_Error_1 = B_Error;

B_Delta_Error_1 = B_Delta_Error;

此为赋值操作,为下一次计算做准备.

B_New_Angle = B_Old_Angle + B_KpidM;

得出新的导通角为以前的导通角加上计算出来的调整量,这个调整量可能是正的，也可以是负的.

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pid控制器参数整定方法及应用

pid控制器参数整定方法及应用

- 1 - pid控制器参数整定方法及应用

1 绪论

随着科技的发展，使用PID控制器参数及其应用已经成为当今时代中用于控制和调节机械系统的必需技术。PID控制器的参数整定有助于更好地控制被控对象，提高控制性能。本文述了PID控制器的参数整定方法，以及其在机械系统中的应用。

2 Pid控制器参数整定

PID控制器参数整定通过选择适当的分子和分母系数来实现，这些系数实际上是控制器的“参数”，可以指导控制器对机械系统的控制行为。下面通过实例来说明如何进行PID控制器参数整定：

假设我们正在使用PID控制一个汽车的控制系统，我们需要进行PID参数整定。

首先，我们需要通过试验来观察汽车的转弯能力以及汽车对转弯操作的响应，并记录读数。然后，我们需要根据所获得的实验数据，确定PID控制器的Kp，Ki，Kd参数。

Kp：Kp参数可以定义为系统的放大系数，它可以保持系统的闭环响应更快。

Ki：Ki参数可以定义为系统的微调系数，它可以调整系统的稳定性。

Kd：Kd参数可以定义为系统的衰减系数，以防止系统产生过大的振荡。

根据实验数据，我们可以根据汽车的控制系统调节PID参数， - 2 - 使它能够更好地控制汽车的运动，并达到期望的控制效果。

3 Pid控制器的应用

PID控制器的应用可以被广泛应用于机械系统，尤其是自动控制系统。例如，它可以用于控制建筑电梯的运动，以达到轿厢精确控制的目的。它还可以用于机器人控制，如翻转、移动或抓取物体。

此外，PID控制器可以被应用于各种控制系统中，如电力系统、工业系统、火车系统等。在这些系统中，PID控制器可以用于控制速度，以达到预期的控制目标。

4 结论

PID控制器参数整定是实现机械系统控制和调节的关键技术。正确进行PID参数整定可以获得最佳的性能，而错误的参数设置可能会导致系统失控。此外，PID控制器的应用可以被广泛应用于机械系统中以实现精确控制和调节。

PID的功能介绍及其应用

PID的功能介绍及其应用

自由PID的功能介绍及其应用

通过我们中国同仁们不懈的努力，丹麦FC300开发组最终完成了FC300自由PID功能的开发。我们业已在实际机器上作过部分试验，其效果尚好。本文就自由PID功能作一介绍，同时就可能的应用场合作个人的一个看法。

一：自由pid的功能及结构介绍;

下面是自由PID的一个结构框图

此pid可分为如下几个部分;

1；给定及反馈信号处理;

PID 的给定信号沿用了以前做速度或力矩控制时的给定处理系统，即300-304，310.0-7--319。如果是内部预臵信号可以是310.0-7，如果是外部模拟量或通信信号可以通过315-317来设定。

PID反馈信号则可以通过720或721来选择，仅可为模拟量信号，当然可以是0-10v或0/4-20mA.

上述的两个信号如果是外部模拟量信号，可以加滤波功能，参数号分别是7-56和7-57。

2: pid本体：

PID本体有差值信号处理，即可以把给定和反馈之差值信号臵反。此功能可以通过参数7-30的设定来实现，也可以通过外部端子信号来实现。

PID运算功能与速度闭环PID相类似：有p值，I值，D值以及D值增益，以及抗饱和功能。 另外PID还可由一个数字信号或参数来控制其是否有效或可设定其开始PID运算的条件，同样也可以用参数和数字信号来复位积分功能。

为了做到PID控制有较高的稳定性或平滑的控制，避免在给定量变化时PID输出大幅波动，采用了前馈控制功能。此功能可以通过设臵前馈系数为零来关闭。

在PID输出侧可由两个参数来设臵PID输出限幅，此功能可与PID运算功能配合使用，达成理想的控制效果。

在限幅功能之后是依给定量大小变化可调整PID控制量的功能，此功能可以在某些应用场合下很好地满足工况要求。

PID功能详解

PID功能详解

PID功能详解

一、PID控制简介

PID( Proportional Integral Derivative)控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

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，它实际上是一种算法。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。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误 差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

从信号变换的角度而言，超前校正、滞后校正、滞后－超前校正可以总结为比例、积分、微分三种运算及其组合。

PID调节器的适用范围：PID调节控制是一个传统控制方法，它适用于温度、压力、流量、液位等几乎所有现场，不同的现场，仅仅是PID参数应设置不同，只要参数设置得当均可以达到很好的效果。均可以达到0.1%，甚至更高的控制要求。

PID控制的不足

1. 在实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定，难以建立精确的数学模型，常规的PID控制器不能达到理想的控制效果；

2. 在实际生产现场中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、效果欠佳，对运行工况的适应能力很差。

二、PID控制器各校正环节

任何闭环控制系统的首要任务是要稳（稳定）、快（快速）、准（准确）的响应命令。PID调整的主要工作就是如何实现这一任务。

PID的应用举例简介

PID的应用举例简介

PID的故事

小明接到这样一个任务：有一个水缸点漏水(而且漏水的速度还不一定固定不变)，要求水面高度维持在某个位置，一旦发现水面高度低于要求位置，就要往水缸里加水。

小明接到任务后就一直守在水缸旁边，时间长就觉得无聊，就跑到房里看小说了，每30分钟来检查一次水面高度。水漏得太快，每次小明来检查时，水都快漏完了，离要求的高度相差很远，小明改为每3分钟来检查一次，结果每次来水都没怎么漏，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。这个检查时间就称为采样周期。

开始小明用瓢加水，水龙头离水缸有十几米的距离，经常要跑好几趟才加够水，于是小明又改为用桶加，一加就是一桶，跑的次数少了，加水的速度也快了，但好几次将缸给加溢出了，不小心弄湿了几次鞋，小明又动脑筋，我不用瓢也不用桶，老子用盆，几次下来，发现刚刚好，不用跑太多次，也不会让水溢出。这个加水工具的大小就称为比例系数。

小明又发现水虽然不会加过量溢出了，有时会高过要求位置比较多，还是有打湿鞋的危险。他又想了个办法，在水缸上装一个漏斗，每次加水不直接倒进水缸，而是倒进漏斗让它慢慢加。这样溢出的问题解决了，但加水的速度又慢了，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，最后终于找到了满意的漏斗。漏斗的时间就称为积分时间。

小明终于喘了一口，但任务的要求突然严了，水位控制的及时性要求大大提高，一旦水位过低，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。小明又为难了！于是他又开努脑筋，终于让它想到一个办法，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，但水位有时会高多了。他又在要求水面位置上面一点将水凿一孔，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。这个水漏出的快慢就称为微分时间。

看到几个问采样周期的帖子，临时想了这么个故事。微分的比喻一点牵强，不过能帮助理解就行了，呵呵，入门级的，如能帮助新手理解下PID，于愿足矣。故事中小明的试验是一步步独立做，但实际加水工具、漏斗口径、溢水孔的大小同时都会影响加水的速度，水位超调量的大小，做了后面的实验后，往往还要修改改前面实验的结果。