PID控制及其應(yīng)用

1、1. 簡(jiǎn)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(duì)被控制對(duì)象進(jìn)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(duì)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(shí)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(shí)間常數(shù)； td- 微分時(shí)間常數(shù)。簡(jiǎn)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(hào)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(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)ti，ti 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。（3）微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。3. 數(shù)字 pid 算法原理在計(jì)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(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如有干擾的話，會(huì)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(jī)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(hào) , k = 0, 1, 2-; r(t)-速度給定值 ; c(t)-速度實(shí)際輸出值 ; u( k )-第 k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出增量值；e(k)-第 k次采樣時(shí)刻

4、輸入的偏差值；e(k-1)-第(k-1) 次采樣時(shí)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(shí)間常數(shù)td-微分時(shí)間常數(shù)4. pid 控制參數(shù)整定方法pid 控制參數(shù)的自動(dòng)整定分兩步進(jìn)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(jī)控制系統(tǒng)的響應(yīng)過程和控制目標(biāo)期望值，修正初定的pid 參數(shù)，直至電機(jī)系統(tǒng)的控制指標(biāo)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(gè)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(shí)

5、，一般應(yīng)考慮下列幾個(gè)因素：（1） 采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象的擾動(dòng)信號(hào)的周期。（2） 采樣周期應(yīng)比對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小得多，否則采樣信號(hào)無法反映瞬變過程. （3） 對(duì)象所要求的調(diào)節(jié)品質(zhì)，在計(jì)算機(jī)運(yùn)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(jià)格比，從控制性能來考慮，希望采樣周期短，但計(jì)算機(jī)運(yùn)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(jì)算機(jī)的費(fèi)用增加。（5） 計(jì)算機(jī)所承擔(dān)的工作量，如果控制的回路數(shù)多，計(jì)算量大，則采樣周期要加長(zhǎng)，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(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)

6、中，pid調(diào)節(jié)控制過程是在定時(shí)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(yùn)行。在不影響中斷程序運(yùn)行的情況下，可取采樣周期t = 0.1t (t 為電機(jī)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間). 當(dāng)中斷程序的運(yùn)行時(shí)間tz 大于 0.1t 時(shí)，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(shí)，在用上述方法確定的采樣周期t的條件下，從直線電機(jī)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(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制比例系數(shù)kp,并逐漸增大 kp,直到電機(jī)系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)的等幅振蕩，然

7、后由單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)記錄電機(jī)系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)的等幅振蕩，然后由單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)記錄電機(jī)系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩時(shí)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(shí)的臨界比例系數(shù). 根據(jù)所測(cè)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(duì)直線電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，采用人工智能方法實(shí)現(xiàn)pid 控制參數(shù)的自動(dòng)整定，以達(dá)到良好的電機(jī)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(dá)轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生多少信號(hào) , 取決于磁極對(duì)數(shù) , 一對(duì)則對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)。_d_clock: 單片機(jī)定時(shí)器最小間隔時(shí)間(4mhz時(shí),1us) b_avrspeed: hall 反饋一個(gè)信號(hào)周期的時(shí)間(單位是 us) b_speed_goal: 當(dāng)前需要的目標(biāo)速度 (rpm), 這個(gè)值一般是目標(biāo)速度除以10,也就是理論能把電機(jī)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(biāo)速度相對(duì)應(yīng) . 對(duì)應(yīng)公式為 : e(k) = c(k)- r(k) b_delta_error = b_error - b_error_1; 對(duì)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(huì)很大, 須進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p , 右移 9 位, 相當(dāng)于除以 512. 值太大 , 電機(jī)容易跑飛 , 不好控制 , 值太小則加速太慢 , 這個(gè)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(jī)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(gè)值可以根據(jù)轉(zhuǎn)速高低來決定，低速時(shí)可適當(dāng)增大此值(以改善hunting 現(xiàn)象)，高速時(shí)可不用那么大。b_error_1 =