PID_控制參數(shù)如何設定調節(jié)

1、PID 控制參數(shù)如何設定調節(jié)PID控制簡介         目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控控制系統(tǒng)包括控制器傳感器變送器執(zhí)行機構輸入輸出接口。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口執(zhí)行機構加到被控系統(tǒng)上控制系統(tǒng)的被控量經(jīng)過傳感器變送器通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)其傳感器 變送器執(zhí)行機構是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓

2、力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調節(jié)器 (intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破?PLC)是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相

3、連。還有可以實現(xiàn)PID 控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列，可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡實現(xiàn)其遠程控制功能。 1、開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。 2、閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，

4、則稱為負反饋( Negative Feedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當一臺真正的全自動洗衣機具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動切斷電源，它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。3、階躍響應階躍響應是指將一個階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應進入穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)

5、的性能可以用穩(wěn)、準、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability)，一個系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應上看應該是收斂的準是指控制系統(tǒng)的準確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(Steady-state error) 描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差快是指控制系統(tǒng)響應的快速性，通常用上升時間來定量描述。4、PID控制的原理和特點在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，

6、或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自

7、動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有

8、較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。5、PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容。它是根

9、據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最

10、后調整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。PID參數(shù)的設定：是靠經(jīng)驗及工藝的熟悉，參考測量值跟蹤與設定值曲線，從而調整PID的大小。PID控制器參數(shù)的工程整定,各種調節(jié)系統(tǒng)中P.I.D參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)以下可參照：溫度T: P=2060%,T=180600s,D=3-180s壓力P: P=3070%,T=24180s,液位L: P=2080%,T=603

11、00s,流量L: P=40100%,T=660s。書上的常用口訣：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振蕩很頻繁，比例度盤要放大曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳曲線偏離回復慢，積分時間往下降曲線波動周期長，積分時間再加長曲線振蕩頻率快，先把微分降下來動差大來波動慢。微分時間應加長理想曲線兩個波，前高后低4比1一看二調多分析，調節(jié)質量不會低         這里介紹一種經(jīng)驗法。這種方法實質上是一種試湊法，它是在生產(chǎn)實踐中總結出來的行之有效的方法，并在現(xiàn)場中得到了廣泛的應用。這種方法的基本程序

12、是先根據(jù)運行經(jīng)驗，確定一組調節(jié)器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，然后人為地加入階躍擾動（如改變調節(jié)器的給定值），觀察被調量或調節(jié)器輸出的階躍響應曲線。若認為控制質量不滿意，則根據(jù)各整定參數(shù)對控制過程的影響改變調節(jié)器參數(shù)。這樣反復試驗，直到滿意為止。       經(jīng)驗法簡單可靠，但需要有一定現(xiàn)場運行經(jīng)驗，整定時易帶有主觀片面性。當采用PID調節(jié)器時，有多個整定參數(shù)，反復試湊的次數(shù)增多，不易得到最佳整定參數(shù)。下面以PID調節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗法的整定步驟：讓調節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)S0=0，實際微分系數(shù)k=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，由小到大改變比

13、例系數(shù)S1，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。取比例系數(shù)S1為當前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)S0，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。(3)積分系數(shù)S0保持不變，改變比例系數(shù)S1，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)S1增大一些，再調整積分系數(shù)S0，力求改善控制過程。如此反復試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)S1和積分系數(shù)S0為止。引入適當?shù)膶嶋H微分系數(shù)k和實際微分時間TD，此時可適當增大比例系數(shù)S1和積分系數(shù)S0。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復調整，直到控制過程滿意為止。注意：仿真系統(tǒng)所采用的PI

14、D調節(jié)器與傳統(tǒng)的工業(yè) PID調節(jié)器有所不同，各個參數(shù)之間相互隔離，互不影響，因而用其觀察調節(jié)規(guī)律十分方便。PID參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。大慣量如：大烘房的溫度控制，一般P可在10以上,I=3-10,D=1左右。小慣量如：一個小電機帶一水泵進行壓力閉環(huán)控制，一般只用PI控制。P=1-10,I=0.1-1,D=0,這些要在現(xiàn)場調試時進行修正的。提供一種增量式PID供參考U(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)A=Kp(1+T/Ti+Td/T)B=Kp(1+2Td/T)C=KpTd/TT采樣周期 Td微分時間 Ti積分時間用上面的算法可以構造自己的PID算法。U（K）=U（K-

15、1）+U（K）file:/F|/共享之家/PID處理程序.txt/*=這是從網(wǎng)上找來的一個比較典型的PID處理程序，在使用單片機作為控制cpu時，請稍作簡化，具體的PID參數(shù)必須由具體對象通過實驗確定。由于單片機的處理速度和ram資源的限制，一般不采用浮點數(shù)運算，而將所有參數(shù)全部用整數(shù)，運算到最后再除以一個2的N次方數(shù)據(jù)（相當于移位），作類似定點數(shù)運算，可大大提高運算速度，根據(jù)控制精度的不同要求，當精度要求很高時，注意保留移位引起的“余數(shù)”，做好余數(shù)補償。這個程序只是一般常用pid算法的基本架構，沒有包含輸入輸出處理部分。=*/#include <string.h>#include

16、 <stdio.h>/*=PID FunctionThe PID (比例、積分、微分) function is used in mainlycontrol applications. PIDCalc performs one iteration of the PIDalgorithm.While the PID function works, main is just a dummy program showinga typical usage.=*/typedef struct PID double SetPoint; / 設定目標 Desired Valuedouble Pro

17、portion; / 比例常數(shù) Proportional Constdouble Integral; / 積分常數(shù) Integral Constdouble Derivative; / 微分常數(shù) Derivative Constdouble LastError; / Error-1double PrevError; / Error-2double SumError; / Sums of Errors PID;/*=PID計算部分=*/double PIDCalc( PID *pp, double NextPoint )file:/F|/共享之家/PID處理程序.txtdouble dError

18、,Error;Error = pp->SetPoint - NextPoint; / 偏差pp->SumError += Error; / 積分dError = pp->LastError - pp->PrevError; / 當前微分pp->PrevError = pp->LastError;pp->LastError = Error;return (pp->Proportion * Error / 比例項+ pp->Integral * pp->SumError / 積分項+ pp->Derivative * dError

19、/ 微分項);/*=Initialize PID Structure=*/void PIDInit (PID *pp)memset ( pp,0,sizeof(PID);/*=Main Program=*/double sensor (void) / Dummy Sensor Functionreturn 100.0;void actuator(double rDelta) / Dummy Actuator Functionvoid main(void)PID sPID; / PID Control Structuredouble rOut; / PID Response (Output)do

20、uble rIn; / PID Feedback (Input)PIDInit ( &sPID ); / Initialize StructuresPID.Proportion = 0.5; / Set PID CoefficientssPID.Integral = 0.5;sPID.Derivative = 0.0;sPID.SetPoint = 100.0; / Set PID Setpointfor (;) / Mock Up of PID ProcessingrIn = sensor (); / Read InputrOut = PIDCalc ( &sPID,rIn

21、); / Perform PID Interationactuator ( rOut ); / Effect Needed Changes#include <hidef.h>      /* common defines and macros */#include "derivative.h"      /* derivative-specific definitions */#include <mc9s12xs128.h>/定義PID參數(shù)#define VV_KPVAL

22、UE 3       /比例#define VV_KIVALUE 40     /積分#define VV_KDVALUE 3     /微分#define VV_MAX 10000       /返回的最大值,是pwm的周期值#define VV_MIN 0#define VV_DEADLINE 0X08   /速度PID，設置死區(qū)范圍typedef struct PID     &#

23、160; /定義數(shù)法核心數(shù)據(jù)signed int vi_Ref;      /速度PID，速度設定值signed int vi_FeedBack;  /速度PID，速度反饋值signed long vi_PreError;  /速度PID，前一次，速度誤差,vi_Ref - vi_FeedBacksigned long vi_PreDerror; /速度PID，前一次，速度誤差之差，d_error-PreDerror;unsigned int v_Kp;      /速度PI

24、D，Ka = Kpunsigned int v_Ki;      /速度PID，Kb = Kp * ( T / Ti )unsigned int v_Kd;      /速度PID，  signed long vl_PreU;    /電機控制輸出值 PID;PID  sPID;                /  PID Control

25、 Structurevoid PIDInit(void) sPID.vi_Ref = 0 ;        /速度設定值sPID.vi_FeedBack = 0 ;  /速度反饋值 sPID.vi_PreError = 0 ;   /前一次，速度誤差,vi_Ref - vi_FeedBacksPID.vi_PreDerror = 0 ;   /前一次，速度誤差之差，d_error-PreDerror;sPID.v_Kp = VV_KPVALUE;sPID.v_Ki

26、= VV_KIVALUE;sPID.v_Kd = VV_KDVALUE;  sPID.vl_PreU = 0 ;      /電機控制輸出值                                   unsigned int v_PIDCalc( PID *pp )signed long&

27、#160; error,d_error,dd_error;   error = (signed long)(pp->vi_Ref - pp->vi_FeedBack); / 偏差計算     d_error = error - pp->vi_PreError;  dd_error = d_error - pp->vi_PreDerror;  pp->vi_PreError = error; /存儲當前偏差pp->vi_PreDerror = d_er

28、ror;if( ( error < VV_DEADLINE ) && ( error > -VV_DEADLINE ) ); /設置調節(jié)死區(qū)              /速度PID計算  pp->vl_PreU += (signed long)(  pp -> v_Kp * d_error + pp -> v_Ki * error  + pp->v_Kd*dd_error); 

29、;else if( pp->vl_PreU >= VV_MAX )   /速度PID，防止調節(jié)最高溢出  pp->vl_PreU = VV_MAX;  else if( pp->vl_PreU <= VV_MIN ) /速度PID，防止調節(jié)最低溢出   pp->vl_PreU = VV_MIN; else;   return ( pp->vl_PreU  );  / 返回預調節(jié)占空比void main(void)

30、  /* put your own code here */   InitMCu();     IncPIDInit();int g_CurrentVelocity=0;   /全局變量也初始化int g_Flag=0;                /全局變量也初始化EnableInterrupts;  While(1)   if (g_Flag&&vi_Fe

31、edBack)                PWMOUT+=  v_PIDCalc( PID *pp );            g_Flag&= vi_FeedBack;  for(;)     _FEED_COP(); /* feeds the dog */   /* loop forever */  /

32、* please make sure that you never leave main */ PID控制器參數(shù)選擇的方法很多，例如試湊法、臨界比例度法、擴充臨界比例度法等。但是，對于PID控制而言，參數(shù)的選擇始終是一件非常煩雜的工作，需要經(jīng)過不斷的調整才能得到較為滿意的控制效果。依據(jù)經(jīng)驗，一般PID參數(shù)確定的步驟如下：(1) 確定比例系數(shù)Kp確定比例系數(shù)Kp時，首先去掉PID的積分項和微分項，可以令Ti=0、Td=0，使之成為純比例調節(jié)。輸入設定為系統(tǒng)允許輸出最大值的6070，比例系數(shù)Kp由0開始逐漸增大，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時的比例系數(shù)Kp逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的比例系數(shù)Kp，設定PID的比例