PID控制及其應(yīng)用

1、1. 簡介pid 控制指的是一種閉環(huán)控制方式, 將輸入輸出偏差的比例（p）、積分（ i ）和微分（ d ）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控制對象進行控制。2. pid 控制原理在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是pid 控制。模擬 pid 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 1-1 所示。系統(tǒng)由模擬pid 控制器和被控對象組成。pid 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值rin(t)與實際輸出值 yout(t)構(gòu)成控制偏差pid 的控制規(guī)律為或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式式中， kp- 比例系數(shù)； ti- 積分時間常數(shù)； td- 微分時間常數(shù)。簡單說來， pid 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：成比例

2、地反映控制系統(tǒng)的偏差信號error(t),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)ti，ti 越大，積分作用越弱，反之則越強。（3）微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。3. 數(shù)字 pid 算法原理在計算控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字pid 控制器，數(shù)字 pid控制算法通常又分為位置式 pid 控制算法和增量式pid 控制算法。位置式算法輸出的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如有干擾的話，會導(dǎo)致大幅度變化。而

3、增量式 pid是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量，所以電機控制一般都采用增量式 pid 算法。增量式 pid算法公式 : -u( k ) = kpe(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) (因在速度控制導(dǎo)通角上開始是從大變小, 所以該公式須變成 c(k)-r(k) 參數(shù)說明 : k-采樣序號 , k = 0, 1, 2-; r(t)-速度給定值 ; c(t)-速度實際輸出值 ; u( k )-第 k次采樣時刻的計算機輸出增量值；e(k)-第 k次采樣時刻

4、輸入的偏差值；e(k-1)-第(k-1) 次采樣時刻輸入的偏差值; ki-積分系數(shù)， ki = kp*t/ti；kd-微分系數(shù)， kd = kp*td/t；t-采樣調(diào)期 ; kp-比例系數(shù) ; ti-積分時間常數(shù)td-微分時間常數(shù)4. pid 控制參數(shù)整定方法pid 控制參數(shù)的自動整定分兩步進行，第一步是初始確定pid 控制參數(shù)；第二步是在初定的 pid 控制參數(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)直線電機控制系統(tǒng)的響應(yīng)過程和控制目標期望值，修正初定的pid 參數(shù)，直至電機系統(tǒng)的控制指標符合所需求為止. 在數(shù)字控制系統(tǒng)中，采樣周期t是一個比較重要的因素，采樣周期的選取，應(yīng)與 pid 參數(shù)的整定綜合考慮，選取采樣周期時

5、，一般應(yīng)考慮下列幾個因素：（1） 采樣周期應(yīng)遠小于對象的擾動信號的周期。（2） 采樣周期應(yīng)比對象的時間常數(shù)小得多，否則采樣信號無法反映瞬變過程. （3） 對象所要求的調(diào)節(jié)品質(zhì)，在計算機運算速度允許的情況下，采樣周期短，調(diào)節(jié)品質(zhì)好 . （4） 性能價格比，從控制性能來考慮，希望采樣周期短，但計算機運算速度，以及 a/d 和 d/a 的轉(zhuǎn)換速度要相應(yīng)的提高，導(dǎo)致計算機的費用增加。（5） 計算機所承擔(dān)的工作量，如果控制的回路數(shù)多，計算量大，則采樣周期要加長，反之，可以縮短。由上述分析可知，采樣周期受各種因素的影響，有些是相互矛盾的，必須視具體情況和主要的要求作出折中的選擇，在直線電機的單片機控制系統(tǒng)

6、中，pid調(diào)節(jié)控制過程是在定時中斷狀態(tài)下完成的，因此，采樣周期t 的大小必須保證中斷服務(wù)程序的正常運行。在不影響中斷程序運行的情況下，可取采樣周期t = 0.1t (t 為電機系統(tǒng)的純滯后時間). 當中斷程序的運行時間tz 大于 0.1t 時，則取 t = tz. 因此，采樣周期可按下式確定：初始確定數(shù)字 pid控制參數(shù)時，在用上述方法確定的采樣周期t的條件下，從直線電機的數(shù)字pid 調(diào)節(jié)控制回路中，去掉數(shù)字控制器的微分控制作用和積分控制作用，只采用比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)來確定系統(tǒng)的振蕩周期ts 和臨界比例系數(shù) ks.由單片機系統(tǒng)自動控制比例系數(shù)kp,并逐漸增大 kp,直到電機系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)的等幅振蕩，然

7、后由單片機系統(tǒng)自動記錄電機系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)的等幅振蕩，然后由單片機系統(tǒng)自動記錄電機系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩時的臨界比例度s和相應(yīng)的臨界振蕩周期ts. s = 1 / ksks-等幅振蕩時的臨界比例系數(shù). 根據(jù)所測得的臨界比例度s和臨界振蕩周期ts, 便可初始確定數(shù)字pid 的控制參數(shù)為利用初始確定的數(shù)字pid控制參數(shù)，便可以對直線電機系統(tǒng)進行實時控制，采用人工智能方法實現(xiàn)pid 控制參數(shù)的自動整定，以達到良好的電機控制效果. 5. pid 應(yīng)用程序?qū)嵗齜_error = (6000000/(_d_pulse * _d_clock) * b_avrspeed) - b_speed_goal; _d_puls

8、e: 馬達轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生多少信號 , 取決于磁極對數(shù) , 一對則對應(yīng)一個信號。_d_clock: 單片機定時器最小間隔時間(4mhz時,1us) b_avrspeed: hall 反饋一個信號周期的時間(單位是 us) b_speed_goal: 當前需要的目標速度 (rpm), 這個值一般是目標速度除以10,也就是理論能把電機轉(zhuǎn)速偏差控制在10 轉(zhuǎn)左右 . 6000000: 是一分鐘 (轉(zhuǎn)成 us) 除以 10, 以便跟目標速度相對應(yīng) . 對應(yīng)公式為 : e(k) = c(k)- r(k) b_delta_error = b_error - b_error_1; 對應(yīng)公式為 : e(k) = e

9、(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) 9; 因理論得出的調(diào)整值會很大, 須進行適當?shù)乃p , 右移 9 位, 相當于除以 512. 值太大 , 電機容易跑飛 , 不好控制 , 值太小則加速太慢 , 這個值可以根據(jù)調(diào)試決定. b_kpidm: 為導(dǎo)通角的調(diào)整量if(b_kpidm 127) b_kpidm = 127; else if(b_kpidm -127) b_kpidm = -127; 以上為增加電機穩(wěn)定性 , 提高抗干擾能力 , 防止調(diào)整量飽和 . 設(shè)置每次調(diào)整量最大不超過 127us. 這個值可以根據(jù)轉(zhuǎn)速高低來決定，低速時可適當增大此值(以改善hunting 現(xiàn)象)，高速時可不用那么大。b_error_1 =