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PID控制是一种在工业过程控制中广泛应用的控制策略#xff0c;其全称是比例-积分-微分#xff08;Proportional Integral Derivative#xff09;控制。它的基本原理是根据… PID控制技术 简介控制原理相关术语调参技巧相互作用 相似算法与PWM对比 应用范围优缺点硬件支持 简介
PID控制是一种在工业过程控制中广泛应用的控制策略其全称是比例-积分-微分Proportional Integral Derivative控制。它的基本原理是根据期望值与实际值的比较产生一个误差信号然后对这个误差信号进行比例、积分和微分三个环节的处理以产生一个控制信号最后用这个控制信号去调节被控对象的输出以达到减小误差、提高控制精度的目的。
控制原理
假设我们有一个小车我们希望通过控制其电机转速来达到一个目标轨迹。我们可以通过以下步骤来实现这个目标
设定目标我们设定一个目标轨迹比如从A点移动到B点需要小车按照这个轨迹行驶。 采集数据我们使用编码器等传感器来测量小车的实际位置和速度并与目标轨迹进行比较得出偏差。 比例控制根据偏差的大小我们通过比例控制器来调整电机的转速。比如如果小车偏离目标轨迹我们可以通过增加电机的转速来使小车回归到目标轨迹。这是比例控制器的功劳。 积分控制除了比例控制外我们还需要考虑偏差的累积。如果小车在偏离目标轨迹后一直未回归那么比例控制器将不断调整电机的转速使小车回归目标轨迹。这是积分控制器的功劳。 微分控制除了比例和积分控制外我们还需要考虑偏差的变化率。如果小车即将偏离目标轨迹我们可以提前调整电机的转速使小车提前回归目标轨迹。这是微分控制器的功劳。 通过以上步骤我们就成功地利用PID控制器来控制小车的电机转速使其按照我们设定的目标轨迹行驶。
相关术语
偏差这是期望状态与当前状态的差异通过眼睛观测器观测得到。例如小车编码电机中偏差目标值转速编码器值-编码器采集值。 比例控制根据比例增益计算比例调整量P Kp * error。比例增益Kp是调节控制器输出的一个参数error是当前状态和目标状态之间的差值。 积分控制根据积分增益计算积分调整量I Ki * ∫(error dt)。积分增益Ki是另一个调节控制器输出的参数∫(error dt)表示error在时间上的累积。 微分控制根据微分增益计算微分调整量D Kd * d(error)/dt。微分增益Kd是调节控制器输出的又一个参数d(error)/dt表示error随时间的变化率。 PID控制器是一种线性控制器它通过负反馈调节过程来达到目标值如水温的恒温控制电机转速控制舵机打角控制等。PID控制过程就是给定目标值观察实际值得出偏差然后根据偏差进行比例、积分、微分控制并将这些控制量作用于被控对象上使其达到并在给定值附近稳定。
调参技巧
首先给大家简单介绍一下PIDPID就是通过系统误差利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。不同厂家的公式稍有不同但是基本上都离不开三个参数比例、积分时间、微分时间。采样周期在进行PID调节之前要先设定好PID的采样周期采样周期设定主要根据被控对象的特性决定。被控对象变化快的如流量可将采样周期设定在100ms左右采样周期变化慢的如液位可将采样周期设定在1000ms对于特别缓慢的如温度可设置成5-10S。简单的理解是多长时间比较一次采样值与设定值。当然需要注意的是采样周期必须大于程序的执行周期PLC的运行周期。比例比例作用是依据偏差的大小来动作.比例有时又被称为增益用Gain表示当控制量与被控量成正比例关系时例如阀位与流量增益为正数当控制量与被控量成反比例关系时例如液位与频率增益。积分时间积分时间是PID参数的关键之一。它的主要作用是消除系统的稳态误差。积分时间通常需要通过实验和经验来确定它与系统的采样周期和滞后时间有关。在选择积分时间时需要权衡系统的稳定性和响应速度。较小的积分时间可能会导致系统频繁振荡而较大的积分时间则会降低系统的响应速度。微分时间微分时间是PID参数中反应系统未来误差的重要因素。微分时间的设定需要考虑系统的动态性能和稳定性。较大的微分时间有助于减小系统的动态误差但可能会导致系统稳定性降低。微分时间的设定需要经验丰富的工程师进行调试通常可以通过试错法进行确定。比例、积分、微分三者之间的关系比例、积分和微分三者之间存在密切的关系。比例调节是快速的但它不能消除稳态误差。积分调节可以消除稳态误差但需要牺牲系统的响应速度。微分调节可以预测未来的误差但需要避免系统出现振荡。在调整PID参数时需要综合考虑三者之间的关系以实现系统的最佳控制效果。 7.PID调试过程中的注意事项在调试PID参数时需要注意以下几点首先先调比例再调积分最后调微分。其次观察系统的响应速度和超调量如果存在振荡或超调量过大可能需要调整积分时间和微分时间。最后调试过程中要保持系统的稳定性避免系统出现频繁的振荡。 8.PID参数的在线调整在实际应用中PID参数通常需要进行在线调整。在线调整是通过实时采集系统的数据根据系统响应情况对PID参数进行调整的过程。在线调整需要经验丰富的工程师进行操作以确保系统的稳定性和响应速度。
相互作用
首先比例单元P的作用是按比例反应系统的偏差。当系统出现偏差时比例单元会立即产生调节作用减小偏差。具体来说如果系统的当前状态与期望状态之间存在差异比例单元会根据这个差异的大小和方向按比例产生一个调节信号这个信号会作用于系统使其向消除偏差的方向运动。
然后积分单元I的作用是消除系统的稳态误差。当系统存在稳态误差时即系统无法达到期望状态一直存在一个微小的偏差积分单元会对这个误差进行积分即计算误差随着时间的变化量。这个积分值会作为一个调节信号对系统进行进一步的调节直至消除稳态误差。
最后微分单元D的作用是反应系统的未来误差。微分单元会对系统的未来状态进行预测并计算预测值与期望值之间的误差。这个误差的变化率即微分值会被作为调节信号提前对系统进行调节以避免在未来出现大的误差。
PID这三个单元各有侧重但又相互配合共同作用使得系统能够快速、准确地对各种复杂的工况进行响应并达到期望的控制效果。
相似算法
PID调节和以下几种控制算法相似
比例积分微分控制算法PI控制算法。PI控制算法是在PID算法的基础上去掉微分项得到的一种算法只包含比例控制和积分控制。与PID相比PI算法更加稳定能够减少振荡和过冲现象。比例积分控制算法P控制算法。P控制算法是在PID算法的基础上去掉积分项和微分项得到的一种算法只包含比例控制。与PID相比P算法更加简单并且能够在一定程度上控制系统性能。 除上述控制算法之外还存在其他与PID调节相似的算法如模糊控制、自适应控制等。这些算法在处理复杂和非线性系统方面具有优势可以在特定情况下实现更好的控制效果。
与PWM对比
PID控制和PWM控制是两种常用的控制技术它们在不同的应用中有不同的作用和工作原理。
PWM控制是通过调整脉冲的占空比来控制输出信号的平均电平。它是通过周期性地开关电源控制开关时间和关闭时间的比例从而控制所需的输出。PWM控制常用于需要模拟连续信号的应用例如直流电机速度控制、LED亮度调节、音频放大器等它适用于那些可以通过调整脉冲宽度来控制的设备或系统。
PID控制是一种基于反馈的控制算法根据当前误差、误差积分和误差变化率的信息计算出一个控制量用于调节输出以使系统的实际值与期望值尽可能接近。PID控制适用于需要精确控制和稳定性的应用例如温度控制、位置控制、速度控制等。PID控制具有自适应能力可以根据实际情况动态调整控制参数。
在某些应用中PID和PWM可以结合使用。例如在电机控制系统中PID控制可以用于调节电机的速度和位置而PWM控制可以用于调节电机的电流和电压。两者的结合使用可以实现更精确的电机控制。
应用范围
PID控制算法在以下领域中有广泛应用
温度控制在工业过程、热处理、恒温箱等方面PID控制算法可以实现对温度的精确控制。 机械控制在电机速度控制、位置控制、压力控制等方面PID控制算法可以实现机械系统的精确控制。 液位控制在液位高度控制、油罐液位控制等方面PID控制算法可以实现液位的精确控制。 流量控制在化工流程控制、供水系统控制等方面PID控制算法可以实现对流量的精确控制。 此外PID控制算法还应用于速度控制、位置控制、飞行器姿态控制、汽车稳定性控制、电力调度等各个领域。总的来说PID控制算法适用于需要自动控制和调节的各种物理过程使其达到预定的控制目标。
优缺点
PID控制器被广泛应用于各种控制系统中其主要的优点有
PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在、将来的主要信息并且配置几乎最优。比例P代表当前的信息起纠正偏差的作用使过程反应迅速。微分D在信号变化时有 超前控制作用代表将来的信息。在过程开始时强迫过程进行过程结束时减小超调克服振荡提高系统的稳定性加快系统的过渡过程。积分I代表了过去积累的信息能消除静差改善系统的静态特性。PID控制适应性好有较强的鲁棒性对各种工业场合都可在不同的程度上应用。特别适于“一阶惯性环节纯滞后”和“二阶惯性环节纯滞后”的过程控制对象。PID算法简单明了各个控制参数相对较为独立参数的选定较为简单形成了完整的设计和参数调整方法很容易为工程技术人员所掌握。PID控制根据不同的要求针对自身的缺陷进行了不少改进形成了一系列改进的PID算法。例如为了克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分分离控制等。
然而PID控制器也存在一些缺点 5. PID控制器对参数调整的要求比较高如果参数调整不当可能会导致系统性能不佳。 6. PID控制器对反馈信号的依赖度高如果反馈信号受到干扰或者出现故障系统的性能也会受到影响。 7. PID控制器对噪声敏感如果系统中存在噪声可能会导致控制系统出现震荡或者不稳定。 8. PID控制器可能存在积分饱和的问题如果积分项发生饱和可能会导致控制系统出现稳态误差或者振荡。
硬件支持
PID控制需要以下硬件支持
控制器PID控制算法需要一个控制器来实现。控制器可以是嵌入式系统、单片机、PLC等用于接收输入信号根据PID算法计算输出信号并将输出信号传递给被控对象。 执行器PID控制的执行器是用于将控制信号转换为实际动作的装置。常见的执行器包括电动机、气缸、液压马达等。 反馈装置PID控制需要一个反馈装置来检测被控对象的输出信号并将其反馈给控制器。反馈装置可以是传感器、编码器等。 电源PID控制系统的电源是用于提供能量的设备。对于不同的被控对象和控制器需要选择相应的电源来提供合适的能量。 此外根据具体的被控对象和控制系统要求可能还需要其他辅助设备如信号转换器、继电器、接触器等。
