PID原理和調(diào)試口訣詳解

ID:476696 · 發(fā)表于 2019-3-6 11:21

一、PID基本概述

1，PID是一個(gè)閉環(huán)控制算法。因此要實(shí)現(xiàn)PID算法，必須在硬件上具有閉環(huán)控制，就是得有反饋。比如控制一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就得有一個(gè)測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器，并將結(jié)果反饋到控制路線(xiàn)上，下面也將以轉(zhuǎn)速控制為例。

2，PID是比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法。但并不是必須同時(shí)具備這三種算法，也可以是PD,PI,甚至只有P算法控制。我以前對(duì)于閉環(huán)控制的一個(gè)最樸素的想法就只有P控制，將當(dāng)前結(jié)果反饋回來(lái)，再與目標(biāo)相減，為正的話(huà)，就減速，為負(fù)的話(huà)就加速。現(xiàn)在知道這只是最簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制算法。

3，比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法各有作用：

比例，反應(yīng)系統(tǒng)的基本（當(dāng)前）偏差e(t)，系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過(guò)大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；

積分，反應(yīng)系統(tǒng)的累計(jì)偏差，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度，因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)誤差；

微分，反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率e(t)-e(t-1)，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是微分對(duì)噪聲干擾有放大作用，加強(qiáng)微分對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。

積分和微分都不能單獨(dú)起作用，必須與比例控制配合。

4，控制器的P,I,D項(xiàng)選擇：根據(jù)實(shí)際的目標(biāo)系統(tǒng)調(diào)試出最佳的PID參數(shù)。

二、常用控制規(guī)律的特點(diǎn)：

1、比例控制規(guī)律P：采用P控制規(guī)律能較快地克服擾動(dòng)的影響，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動(dòng)的影響，但有余差出現(xiàn)。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場(chǎng)合。如：水泵房冷、熱水池水位控制；油泵房中間油罐油位控制等。

2、比例積分控制規(guī)律(PI)：在工程中比例積分控制規(guī)律是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場(chǎng)合。如：流量控制系統(tǒng)；油泵房供油管流量控制系統(tǒng)；溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。

3、比例微分控制規(guī)律(PD)：微分具有超前作用，對(duì)于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果。因此，對(duì)于控制通道的時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大的場(chǎng)合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。如：加熱型溫度控制、成分控制。需要說(shuō)明一點(diǎn)，對(duì)于那些純滯后較大的區(qū)域里，微分項(xiàng)是無(wú)能為力，而在測(cè)量信號(hào)有噪聲或周期性振動(dòng)的系統(tǒng)，則也不宜采用微分控制。如：大窯玻璃液位的控制。

4、例積分微分控制規(guī)律(PID)：PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場(chǎng)合。如溫度控制、成分控制等。

鑒于D規(guī)律的作用，我們還必須了解時(shí)間滯后的概念，時(shí)間滯后包括容量滯后與純滯后。其中容量滯后通常又包括：測(cè)量滯后和傳送滯后。測(cè)量滯后是檢測(cè)元件在檢測(cè)時(shí)需要建立一種平衡，如熱電偶、熱電阻、壓力等響應(yīng)較慢產(chǎn)生的一種滯后。而傳送滯后則是在傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備產(chǎn)生的一種控制滯后。純滯后是相對(duì)與測(cè)量滯后的，在工業(yè)上，大多的純滯后是由于物料傳輸所致，如：大窯玻璃液位，在投料機(jī)動(dòng)作到核子液位儀檢測(cè)需要很長(zhǎng)的一段時(shí)間。

總之，控制規(guī)律的選用要根據(jù)過(guò)程特性和工藝要求來(lái)選取，決不是說(shuō)PID控制規(guī)律在任何情況下都具有較好的控制性能，不分場(chǎng)合都采用是不明智的。如果這樣做，只會(huì)給其它工作增加復(fù)雜性，并給參數(shù)整定帶來(lái)困難。當(dāng)采用PID控制器還達(dá)不到工藝要求，則需要考慮其它的控制方案。如串級(jí)控制、前饋控制、大滯后控制等。

5，公式：

數(shù)值pid的計(jì)算：

6，問(wèn)題。Kp,Ti,Td三個(gè)參數(shù)的設(shè)定是PID控制算法的關(guān)鍵問(wèn)題。一般說(shuō)來(lái)編程時(shí)只能設(shè)定他們的大概數(shù)值，并在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過(guò)反復(fù)調(diào)試來(lái)確定最佳值。因此調(diào)試階段程序須得能隨時(shí)修改和記憶這三個(gè)參數(shù)。

7，參數(shù)的自整定。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，比如通用儀表行業(yè)，系統(tǒng)的工作對(duì)象是不確定的，不同的對(duì)象就得采用不同的參數(shù)值，沒(méi)法為用戶(hù)設(shè)定參數(shù)，就引入?yún)?shù)自整定的概念。實(shí)質(zhì)就是在首次使用時(shí)，通過(guò)N次測(cè)量為新的工作對(duì)象尋找一套參數(shù)，并記憶下來(lái)作為以后工作的依據(jù)。

8，pid算法流程圖：

三、PID參數(shù)調(diào)整口訣

參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查
先是比例后積分，最后再把微分加
曲線(xiàn)振蕩很頻繁，比例度盤(pán)要放大
曲線(xiàn)漂浮繞大灣，比例度盤(pán)往小扳
曲線(xiàn)偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降
曲線(xiàn)波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)
曲線(xiàn)振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)
動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)
理想曲線(xiàn)兩個(gè)波，前高后低四比一
一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低

若要反應(yīng)增快，增大P減小I

若要反應(yīng)減慢，減小P增大I

如果比例太大，會(huì)引起系統(tǒng)震蕩

如果積分太大，會(huì)引起系統(tǒng)遲鈍