PID功能详解及PWM波的产生和PWM波形生成原理资料.docx

1、PID功能详解及PWM波的产生和PWM波形生成原理资料PID功能详解一、PID控制简介 PID( Proportional Integral Derivative)控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，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的确定性控制系统。 在工程实际中，应用最为广泛的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的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型

2、时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，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 和被控对象，或不能通过有效的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和PD控制。PID控制器就是根据系统的误 差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 从信号变换的角度而言，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调节器的适用范围：PID调节控制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，不同的现场，仅仅是PID参数应设置不同，只要参数设置得

3、当均可以达到很好的效果。均可以达到0.1%，甚至更高的控制要求。PID控制的不足1. 在实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定，难以建立精确的数学模型，常规的PID控制器不能达到理想的控制效果；2. 在实际生产现场中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、效果欠佳，对运行工况的适应能力很差。二、PID控制器各校正环节 任何闭环控制系统的首要任务是要稳（稳定）、快（快速）、准（准确）的响应命令。PID调整的主要工作就是如何实现这一任务。增大比例系数P 将加快系统的响应，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但

4、有余差出现，过大的比例系数会使 系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。积分能在比例的基础上消除余差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整，减小稳态误差。微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，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比例控制系统的响应快速性，快速作用于输出，好比现在（现在就起作用，快），I积分控制系统的准确性，消除过去的累积误差，好比过 去（清除过去积怨，回到准确轨道），D微分控制系统的稳定性，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

5、展）。当然这个结论也 不可一概而论，只是想让初学者更加快速的理解PID的作用。在调整的时候，你所要做的任务就是在系统结构允许的情况下，在这三个参数之间权衡调整，达到最佳控制效果，实现稳快准的控制特点。 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调节器的参数，即比例系数KP、积分时间常数i和微分时间常数D，可迅速

6、、准确、平稳的消除偏差，达到良好的 控制效果。 1. 比例环节 成比例地反映控制系统的偏差信号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-state error）。 P参数越小比例作用越强，动态响应越快，消除误差的能力越强。但实际系统是有惯性的，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。 由于实际系统是有惯性的，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参数的大小应在以上定量计算的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(或无大的超调)为最佳参数

7、。优点:调整系统的开环比例系数，提高系统的稳态精度，减低系统的惰性，加快响应速度。缺点:仅用P控制器,过大的开环比例系数不仅会使系统的超调量增大，而且会使系统稳定裕度变小，甚至不稳定。 2. 积分环节 控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的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？ 比例作用的输出与误差的大小成正比，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，不可能使被控的PV值达到给定值。必须存在一个稳定的误差，以维持一个稳定的输

8、出，才能使系统的PV值保持稳定。这就是通常所说的比例作用是有差调节，是有静差的，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，以使被控的y(t)值最后与给定值一致。引进积分作用的目的也就是为了消除静差，使y(t)值达到给定值，并保持一致。 积分作用消除静差的原理是，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，系统的PV值保持稳定，y(t)值等于u(t)值，达到无差调节的效果。 但由于实际系统是有惯性的，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

9、，因此积分的快慢必须与实际系统的惯性相匹配，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，就会引起积分过头的现象，产生积分超调和振荡。通常I参数也是由大往 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，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。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的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会

10、随着时间的增加而加大，它推动控制器的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的“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的缺点。优点：消除稳态误差。缺点：积分控制器的加入会影响系统的稳定性，使系统的稳定裕度减小。 3. 微分环节 反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。为什么要引进微分作用？ 前面已经分析过

11、，不论比例调节作用，还是积分调节作用都是建立在产生误差后才进行调节以消除误差，都是事后调节，因此这种调节对稳态来说是无差的，对动态来说肯定是有差的，因为对于负载变化或给定值变化所产生的扰动，必须等待产生误差以后，然后再来慢慢调节予以消除。 但一般的控制系统，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，恢复到稳态的速度要快，因此光有比例和积 分调节作用还不能完全满足要求，必须引入微分作用。比例作用和积分作用是事后调节(即发生误差后才进行调节)，而微分作用则是事前预防控制，即一发现 y(t)有变大或变小的趋势，马上就输出一个阻止其变化的控制信号，以防止出

12、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，比例作用和微分作用一定等到y(t)值变化后才进行调节，并且误差小时，产生的比例和积分调节作用也小， 纠正误差的能力也小，误差大时，产生的比例和积分作用才增大。因为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的趋势就 开始调节，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和积分控制的一种补充，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

13、，微分作用只能在P和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的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被

14、控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。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：使系统的响应速度变快，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；在中高频段主要是PD规律起作用，增大截止频率和相角裕度，提高响应速度。因此，控制器可以全面地提高系统的控制性能。 三、PID控制器的参数整定 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定

15、的方法很多，概括起来有两大类：1. 理论计算整定法 它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。2. 工程整定方法 它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、 反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，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的控制器参数， 都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步

16、骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 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的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的 60%70%，由0逐渐加大比例增益P，直至

17、系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定 PID的比例增益P为当前值的60%70%。比例增益P调试完成。b. 确定积分时间常数Ti比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%180%。积分时间常数Ti调试完成。c. 确定积分时间常数Td积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。d. 系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至

18、满足要求。 变速积分的基本思想是，设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢；反之则越快，有利于提高系统品质。 PWM波的产生PWM控制方式广泛应用于各种控制系统中，但对脉冲宽度的调节一般采用硬件来实现。如使用PWM控制器或在系统中增加PWM电路1等，则成本高、响应速度慢，而且PWM控制器与系统之间存在兼容问题。另外，控制系统中的信号采样通常是由A/D转换器来完成，因此检测精度要求较高时，调理电路复杂，而且因A/D的位数高，从而使设计的系统成本居高不下。本文以应用于温度控制系统为例，介绍利用Motorola公司生产的新型单片机MSP430F413内的定时器Time_A设

19、计可以用时间量进行温度采样以及实现PWM调节的方法。为了可在使用少量外围电路的情况下实现控制系统的高精度测量和控制，一方面用时间量采样，在省去1片A/D的情况下得到12位的高精度；另一方面在定时中断内完全用软件实现PWM调节，以易于进行数据的通信和显示。该系统在中断内可以解决波形产生的实时在线计算和计算精度问题，可精确、实时地计算设定频率下的脉冲宽度。1 单片机MSP430F413及定时器 MSP430系列的单片机F413在超低功耗和功能集成上都有一定的特色，可大大减小外围电路的复杂性，它的实时处理能力及各种外围模块使其可应用在多个低功耗领域2。MSP430F413中通用16位定时器Timer

20、_A有如下主要功能模块。(1)一个可连续递增计数至预定值并返回0的计数器。(2)软件可选择时钟源。(3)5个捕获/比较寄存器，每个有独立的捕获事件。(4)5个输出模块，支持脉宽调制的需要。定时器控制寄存器TACTL的各位可控制Timer_A的配置，并定义16位定时器的基本操作，可选择原始频率或分频后的输入时钟源及4种工作模式。另外还有清除功能和溢出中断控制位。5个捕获/比较寄存器CCRx的操作相同，它们通过各自的控制寄存器CCTLx进行配置。2 时间量采样及PWM控制的实现原理 以应用于温度控制系统为例，介绍用定时器实现信号采样和PWM控制的方法。该温度控制系统包括单片机、温度测量电路、负载驱

21、动电路及电源控制、低电压检测和显示电路等其他外围部分。单片机MSP430F413中用于测量和控制温度的主要I/O口有： P1.0：输出50Hz方波，用于产生三角波。P1.2：驱动温度控制执行元件，2kHz方波PWM输出。P2.0：脉宽捕捉。2.1 单片机端口的中断设置 温度控制系统的50Hz方波输出、PWM输出和输入捕捉都是由定时中断来实现。这3个中断分别由P0、P1和P2口的外围模块引起，属于外部可屏蔽中断。初始化时，对这3个I/O口进行中断设置，并对Time_A控制寄存器TACTL设置，包括输入信号2分频、选用辅助时钟ACLK等。当定义完捕获/比较寄存器后，重新赋值TACTL，启动定时器，

22、开始连续递增计数。2.2 脉宽捕捉实现温度值的采样 温度测量电路将温度值转换为电压值，同时单片机产生的50Hz方波经电容充放电电路变换得到同频率的三角波，其电压值切割三角波，从而将温度值转换为相应宽度的脉冲送入单片机。波形变化如图1所示。通过设置CCTLx中的模式位，可将对应的捕获/比较寄存器CCRx设定为捕获模式，用于时间事件的精确定位。如果在选定的输入引脚上发生选定脉冲的触发沿，则定时器计数的值将被复制到CCRx中。根据这一原理，选定P2.0为输入引脚，设置CCTL2为捕获模式，所测温度值由模拟量经测量电路转换为脉冲后，P2.0捕捉脉冲下降沿，进入中断T2，得到与温度值一致的单位时间内的脉

23、冲数，存入CCR2作进一步处理。这样，系统就在不使用A/D转换器的情况下完成了模数转换。因为单片机的时钟精确度高，而且时间量是一个相对精度极高的量，但本系统中用时间量进行温度采样可获得12位的高精度，同时采用50Hz脉冲，可以大大消除工频干扰。这些都为进行精确的温度控制提供了必要的条件。2.3 PWM信号生成原理 将捕获/比较寄存器CCR0和CCR1定义为比较模式，它们的输出单元OUT0和OUT1分别对应单片机引脚P1.0（TA0）和P1.2（TA1）。进入比较模式后，如果定时器CCRx的计数值等于比较寄存器x中的值，则比较信号EQUx输出到输出单元OUTx中，同时根据选定的模式对信号置位、复

24、位或翻转。其中：设置EQU0将OUT0信号翻转，信号时钟与定时器时钟同步，这样就可以在P1.0引脚上得到50Hz的方波信号；设置EQU1输出模式为PWM复位/置位。设定模式下定时中断的输出如图2所示。根据设定的PWM复位/置位模式，若CCR1计数器溢出，则EQU1将OUT1复位；若CCR0计数器溢出，则EQU0将OUT1置位。利用CCR0和CCR1计数起始点的差值，实现占空比的变化，从而在P1.2上完成PWM输出。系统对占空比的调节是通过改变CCR1的基数来实现的。定时器时钟为2MHz、CCR1和CCR0的计数值为1 000时，可获得2kHz的PWM输出频率。负载驱动电路将单片机P1.2引脚输

25、出的PWM信号放大滤波，用于驱动大功率的执行元件。3 软件设计 3.1 系统主程序 在主程序中包括系统初始化、定时器的初始化、温度采样值的读入、负载驱动和显示等。系统进行温度值采样和PWM输出均在定时中断内完成，PWM输出脉冲的占空比则由PID算法得到。系统主程序流程图如图3所示。3.2 PID脉宽调节 系统对脉宽的调制由PID算法实现。根据算法原理，本系统设计了一套完全由软件实现的PID算法，并且在控制过程中完成参数的自整定。PID调节的控制过程：单片机读出数字形式的实际温度Tn，然后和设定温度Tg相比较，得出差值en=Tn-Tg，根据en的正负和大小，调用PID公式，计算得到与输出电压un

26、一致的占空比，调节温度的升降，同时寻找最优条件，改变PID参数。增量式PID控制算法的输出量3：PID调节程序直接写入单片机内，根据得到的值改变计数器CCR1的基数值，从而改变输出脉冲的占空比，达到调节PWM的目的。3.3 定时中断 定时中断子程序流程如图4所示。系统采用的晶振频率为2MHz，T0中断的作用是得到频率为50Hz、占空比为90%的方波，用以产生三角波，并检查1个周期内是否有漏采的数据。T0模溢出翻转为高电平，输出比较间隔为18ms。其中，CCR0加了PWM的模，该值即为CCR0和CCR1的差值，用以产生输出所需的脉冲宽度。T1中断内处理的是控制端口的PWM输出，并检查1个周期内是

27、否重复采集数据，T1输出比较产生低电平，输出比较间隔为20ms。T2中断捕捉温度测量端口的脉宽，得到所测的温度值。4 结束语 利用单片机MSP430F413内的定时器Time_A进行温度采样以及实现PWM调节的方法，可以广泛用于具有端口捕捉功能的单片机中。与传统方法比较，它不仅可以简化测量和控制电路的硬件结构，而且可以方便地建立人机接口，实现用软件调整参数，使控制更精确、实时、可靠。经过实验，该方法应用于温度控制系统中获得了预期的精确PWM调节波形。该方法同样可以用于其他单片机控制系统中。PWM技术编辑PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用

28、来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。简介脉宽调制（PWM:(Pulse Width Modulation）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。优点PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，在进行数模转

29、换。可将噪声影响降到最低（可以话跟电脑一样。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽

30、调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以分为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美

31、无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。为求得改善，随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有

32、其特殊的价值（DTC控制即为一例）；别一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。-几种PWM控制方法采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同.PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率.PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术，微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论,非线