PID功能详解及PWM波的产生和PWM波形生成原理.docx

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PID功能详解及PWM波的产生和PWM波形生成原理

PID功能详解

一、PID控制简介

PID（ProportionalIntegralDerivative）控制就是最早发展起来得控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好与可靠性高,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得确定性控制系统。

在工程实际中,应用最为广泛得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,它实际上就是一种算法。

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得主要技术之一。

当被控对象得结构与参数不能完全掌握,或得不到精确得数学模型时,控制理论得其它技术难以采用时,系统控制器得结构与参数必须依靠经验与现场调试来确定,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与被控对象,或不能通过有效得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与PD控制。

PID控制器就就是根据系统得误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制得。

从信号变换得角度而言,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调节器得适用范围:

PID调节控制就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,不同得现场,仅仅就是PID参数应设置不同,只要参数设置得当均可以达到很好得效果。

均可以达到0、1%,甚至更高得控制要求。

PID控制得不足

1、在实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定,难以建立精确得数学模型,常规得PID控制器不能达到理想得控制效果;

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

二、PID控制器各校正环节

任何闭环控制系统得首要任务就是要稳（稳定）、快（快速）、准（准确）得响应命令。

PID调整得主要工作就就是如何实现这一任务。

　　增大比例系数P将加快系统得响应,它得作用于输出值较快,但不能很好稳定在一个理想得数值,不良得结果就是虽较能有效得克服扰动得影响,但有余差出现,过大得比例系数会使系统有比较大得超调,并产生振荡,使稳定性变坏。

积分能在比例得基础上消除余差,它能对稳定后有累积误差得系统进行误差修整,减小稳态误差。

微分具有超前作用,对于具有容量滞后得控制通道,引入微分参与控制,在微分项设置得当得情况下,对于提高系统得动态性能指标,有着显著效果,它可以使系统超调量减小,稳定性增加,动态误差减小。

综上所述,P—比例控制系统得响应快速性,快速作用于输出,好比"现在"（现在就起作用,快）,I—积分控制系统得准确性,消除过去得累积误差,好比"过去"（清除过去积怨,回到准确轨道）,D—微分控制系统得稳定性,具有超前控制作用,好比"未来"（放眼未来,未雨绸缪,稳定才能发展）。

当然这个结论也不可一概而论,只就是想让初学者更加快速得理解PID得作用。

　　在调整得时候,您所要做得任务就就是在系统结构允许得情况下,在这三个参数之间权衡调整,达到最佳控制效果,实现稳快准得控制特点。

比例控制可快速、及时、按比例调节偏差,提高控制灵敏度,但有静差,控制精度低。

积分控制能消除偏差,提高控制精度、改善稳态性能,但易引起震荡,造成超调。

微分控制就是一种超前控制,能调节系统速度、减小超调量、提高稳定性,但其时间常数过大会引入干扰、系统冲击大,过小则调节周期长、效果不显著。

比例、积分、微分控制相互配合,合理选择PID调节器得参数,即比例系数KP、积分时间常数τi与微分时间常数τD,可迅速、准确、平稳得消除偏差,达到良好得控制效果。

1、比例环节

成比例地反映控制系统得偏差信号e（t）,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减小偏差。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。

P参数越小比例作用越强,动态响应越快,消除误差得能力越强。

但实际系统就是有惯性得,控制输出变化后,实际y（t）值变化还需等待一段时间才会缓慢变化。

由于实际系统就是有惯性得,比例作用不宜太强,比例作用太强会引起系统振荡不稳定。

P参数得大小应在以上定量计算得基础上根据系统响应情况,现场调试决定,通常将P参数由大向小调,以能达到最快响应又无超调（或无大得超调）为最佳参数。

优点:

调整系统得开环比例系数,提高系统得稳态精度,减低系统得惰性,加快响应速度。

缺点:

仅用P控制器,过大得开环比例系数不仅会使系统得超调量增大,而且会使系统稳定裕度变小,甚至不稳定。

2、积分环节

控制器得输出与输入误差信号得积分成正比关系。

主要用于消除静差,提高系统得无差度。

积分作用得强弱取决于积分时间常数T,T越大,积分作用越弱,反之则越强。

为什么要引进积分作用？

比例作用得输出与误差得大小成正比,误差越大,输出越大,误差越小,输出越小,误差为零,输出为零。

由于没有误差时输出为零,因此比例调节不可能完全消除误差,不可能使被控得PV值达到给定值。

必须存在一个稳定得误差,以维持一个稳定得输出,才能使系统得PV值保持稳定。

这就就是通常所说得比例作用就是有差调节,就是有静差得,加强比例作用只能减少静差,不能消除静差（静差:

即静态误差,也称稳态误差）。

为了消除静差必须引入积分作用,积分作用可以消除静差,以使被控得y（t）值最后与给定值一致。

引进积分作用得目得也就就是为了消除静差,使y（t）值达到给定值,并保持一致。

积分作用消除静差得原理就是,只要有误差存在,就对误差进行积分,使输出继续增大或减小,一直到误差为零,积分停止,输出不再变化,系统得PV值保持稳定,y（t）值等于u（t）值,达到无差调节得效果。

但由于实际系统就是有惯性得,输出变化后,y（t）值不会马上变化,须等待一段时间才缓慢变化,因此积分得快慢必须与实际系统得惯性相匹配,惯性大、积分作用就应该弱,积分时间I就应该大些,反之而然。

如果积分作用太强,积分输出变化过快,就会引起积分过头得现象,产生积分超调与振荡。

通常I参数也就是由大往小调,即积分作用由小往大调,观察系统响应以能达到快速消除误差,达到给定值,又不引起振荡为准。

对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统就是有稳态误差得或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。

为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间得积分,随着时间得增加,积分项会增大。

这样,即便误差很小,积分项也会随着时间得增加而加大,它推动控制器得输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。

因此,比例+积分（PI）控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

PI控制器不但保持了积分控制器消除稳态误差得“记忆功能”,而且克服了单独使用积分控制消除误差时反应不灵敏得缺点。

优点:

消除稳态误差。

缺点:

积分控制器得加入会影响系统得稳定性,使系统得稳定裕度减小。

3、微分环节

反映偏差信号得变化趋势,并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效得早期修正信号,从而加快系统得动作速度,减少调节时间。

在微分控制中,控制器得输出与输入误差信号得微分（即误差得变化率）成正比关系。

为什么要引进微分作用？

前面已经分析过,不论比例调节作用,还就是积分调节作用都就是建立在产生误差后才进行调节以消除误差,都就是事后调节,因此这种调节对稳态来说就是无差得,对动态来说肯定就是有差得,因为对于负载变化或给定值变化所产生得扰动,必须等待产生误差以后,然后再来慢慢调节予以消除。

但一般得控制系统,不仅对稳定控制有要求,而且对动态指标也有要求,通常都要求负载变化或给定调整等引起扰动后,恢复到稳态得速度要快,因此光有比例与积分调节作用还不能完全满足要求,必须引入微分作用。

比例作用与积分作用就是事后调节（即发生误差后才进行调节）,而微分作用则就是事前预防控制,即一发现y（t）有变大或变小得趋势,马上就输出一个阻止其变化得控制信号,以防止出现过冲或超调等。

D越大,微分作用越强,D越小,微分作用越弱。

系统调试时通常把D从小往大调,具体参数由试验决定。

如:

由于给定值调整或负载扰动引起y（t）变化,比例作用与微分作用一定等到y（t）值变化后才进行调节,并且误差小时,产生得比例与积分调节作用也小,纠正误差得能力也小,误差大时,产生得比例与积分作用才增大。

因为就是事后调节动态指标不会很理想。

而微分作用可以在产生误差之前一发现有产生误差得趋势就开始调节,就是提前控制,所以及时性更好,可以最大限度地减少动态误差,使整体效果更好。

但微分作用只能作为比例与积分控制得一种补充,不能起主导作用,微分作用不能太强,太强也会引起系统不稳定,产生振荡,微分作用只能在P与I调好后再由小往大调,一点一点试着加上去。

自动控制系统在克服误差得调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因就是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件,具有抑制误差得作用,其变化总就是落后于误差得变化。

解决得办法就是使抑制误差得作用得变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差得作用就应该就是零。

这就就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往就是不够得,比例项得作用仅就是放大误差得幅值,而目前需要增加得就是“微分项”,它能预测误差变化得趋势。

这样,具有比例+微分得控制器,就能够提前使抑制误差得控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量得严重超调。

所以对有较大惯性或滞后得被控对象,比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中得动态特性。

PD控制只在动态过程中才起作用,对恒定稳态情况起阻断作用。

因此,微分控制在任何情况下都不能单独使用。

优点:

使系统得响应速度变快,超调减小,振荡减轻,对动态过程有“预测”作用。

在低频段,主要就是PI控制规律起作用,提高系统型别,消除或减少稳态误差;在中高频段主要就是PD规律起作用,增大截止频率与相角裕度,提高响应速度。

因此,控制器可以全面地提高系统得控制性能。

三、PID控制器得参数整定

PID控制器得参数整定就是控制系统设计得核心内容。

它就是根据被控过程得特性确定PID控制器得比例系数、积分时间与微分时间得大小。

PID控制器参数整定得方法很多,概括起来有两大类:

1、理论计算整定法

它主要就是依据系统得数学模型,经过理论计算确定控制器参数。

这种方法所得到得计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整与修改。

2、工程整定方法

它主要依赖工程经验,直接在控制系统得试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。

PID控制器参数得工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法与衰减法。

三种方法各有其特点,其共同点都就是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

但无论采用哪一种方法所得到得控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

现在一般采用得就是临界比例法。

利用该方法进行PID控制器参数得整定步骤如下:

（1）首先预选择一个足够短得采样周期让系统工作;

（2）仅加入比例控制环节,直到系统对输入得阶跃响应出现临界振荡,记下这时得比例放大系数与临界振荡周期;

（3）在一定得控制度下通过公式计算得到PID控制器得参数。

PID调试一般原则

a、在输出不振荡时,增大比例增益P。

b、在输出不振荡时,减小积分时间常数Ti。

c、在输出不振荡时,增大微分时间常数Td。

PID调试一般步骤

a、确定比例增益P

　　确定比例增益P时,首先去掉PID得积分项与微分项,一般就是令Ti=0、Td=0（具体见PID得参数设定说明）,使PID为纯比例调节。

输入设定为系统允许得最大值得60%~70%,由0逐渐加大比例增益P,直至系统出现振荡;再反过来,从此时得比