運(yùn)動(dòng)控制中工作對象不確定時(shí),參數(shù)的自整定方法介紹

運(yùn)動(dòng)控制中工作對象不確定時(shí)，參數(shù)的自整

定方法介紹運(yùn)動(dòng)控制中工作對象不確定時(shí)，參數(shù)的自整定方法介紹網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)語：在運(yùn)動(dòng)控制經(jīng)過中，按偏向的比例（P）、積分⑴和微分〔D）發(fā)展控制的PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，合用面廣，控制參數(shù)互相獨(dú)立，參數(shù)的選定比擬簡單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證實(shí)，對于經(jīng)過控制的典型對象一〃一階滯后+純滯后〃與〃二階滯后+純滯后〃的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，構(gòu)造改變靈敏（PI、PD、…）。在經(jīng)過中，按偏向的比例〔P〕、積分⑴和微分9）發(fā)展控制的PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，合用面廣，控制參數(shù)互相獨(dú)立，參數(shù)的選定比擬簡單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證實(shí)，對于經(jīng)過控制的典型對象—〃一階滯后+純滯后〃與〃二階滯后+純滯后〃的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，構(gòu)造改變靈敏〔PI、PD、…。3、經(jīng)歷整定法方法一A：11）確定比例增益使PID為純比例調(diào)節(jié)，輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許最大值的60%?70%,由0逐漸加大比例增益至系統(tǒng)浮現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時(shí)的比例增益逐漸減小至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)的比例增益，設(shè)定PID的比例增益P為當(dāng)前值的60%?70%。（2〕確定積分時(shí)間常數(shù)比例增益P確定后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti至系統(tǒng)浮現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的Ti,設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%?180%。（3〕確定積分時(shí)間常數(shù)Td積分時(shí)間常數(shù)Td普通不用設(shè)定，為0即可。假設(shè)要設(shè)定，與確定P和Ti的方法一樣，取不振蕩時(shí)的30%o〔4）系統(tǒng)帶載聯(lián)調(diào)，再對PID參數(shù)發(fā)展微調(diào)，直至知足要求。方法一B：⑴PI調(diào)節(jié)(a)純比例作用下，把比例度從較大數(shù)值逐漸往下降，至開場產(chǎn)生周期振蕩〔測量值以給定值為中心作有規(guī)那末得振蕩)，在產(chǎn)生周期性振蕩得情況下，把此比例度逐漸加寬直至系統(tǒng)充分穩(wěn)定?！瞓〕接下來把積分時(shí)間逐漸縮短至產(chǎn)生振蕩，此時(shí)表示積分時(shí)間過短，應(yīng)把積分時(shí)間稍加延長，直至振蕩停頓。⑵PID調(diào)節(jié)(a)純比例作用下尋求起振點(diǎn)。1b〕加大微分時(shí)間使振蕩停頓，接著把比例度調(diào)得稍小一些，使振蕩又產(chǎn)生，加大微分時(shí)間，使振蕩再停頓，往返這樣控制，直至雖加大微分時(shí)間，但不能使振蕩停頓，求得微分時(shí)間的最正確值，此時(shí)把比例度調(diào)得稍大一些直至振蕩停頓。(c)把積分時(shí)間調(diào)成和微分時(shí)間一樣的數(shù)值，假如又產(chǎn)生振蕩那末加大積分時(shí)間直至振蕩停頓。方法二：另一種方法是先從表列范圍內(nèi)取Ti的某個(gè)數(shù)值，假如需要微分，那末取Td=〔1/3?1/4)Ti,然后對b發(fā)展試湊，也能較快地到達(dá)要求。理論證實(shí)，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)亟M合6和Ti的數(shù)值，可以得到同樣衰減比的曲線，就是講，5的減少，可以用增加Ti的方法來補(bǔ)償，而根本上不影響調(diào)節(jié)經(jīng)過的質(zhì)量。所以，這種情況，先確定Ti、Td再確定6的順序也是可以的。而且可能更快些。假如曲線仍然不理想，可用Ti、Td再加以適當(dāng)調(diào)整。方法三：(1)在實(shí)際調(diào)試中，也可以先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)歷值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。流量系統(tǒng)：P〔％〕40-100,I〔分〕0.1-1壓力系統(tǒng)：P[%)30-70,I〔分)0.4-3液位系統(tǒng)：P[％)20--80,I〔分〕1-5溫度系統(tǒng)：P[％)20-60,I(分〕3-10,D〔分〕0.5-312〕以下整定的口訣：階躍擾動(dòng)投閉環(huán)，參數(shù)整定看曲線；先投比例后積分，最后再把微分加；理想曲線兩個(gè)波，振幅衰減4比1；比例太強(qiáng)要振蕩，積分太強(qiáng)經(jīng)過長；動(dòng)差太大加微分，頻率太快微分降；偏離定值回復(fù)慢，積分作用再加強(qiáng)。4、復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定以串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例來講明復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定方法。由于串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，有主、副兩組參數(shù)，各通道及回路間存在著互相聯(lián)絡(luò)和影響。改變主、副回路的任一參數(shù)，對整個(gè)系統(tǒng)都有影響。十分是主、副對象時(shí)間常數(shù)相差不大時(shí)，動(dòng)態(tài)聯(lián)絡(luò)親密，整定參數(shù)的工作特別艱難。在整定參數(shù)前，先要明確串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的。假如主要是保證主參數(shù)的調(diào)節(jié)質(zhì)量，對副參數(shù)要求不高，那末整定工作就比擬輕易；假如主、副參數(shù)都要求高，整定工作就比擬復(fù)雜。下面介紹〃先副后主〃兩步參數(shù)整定法。第一步：在工況穩(wěn)定情況下，將主回路閉合，把主控制器比例度放在100%，積分時(shí)間放在最大，微分時(shí)間放在零。用4：1衰減曲線整定副回路，求出副回路得比例增益K2s和振蕩周期T2so第二步：把副回路看成是主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，使用4：1衰減曲線法整定主回路，求得主控制器Kis和TlSo根據(jù)Kis、K2s、Tls、T2s按表2經(jīng)歷公式算出串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)主、副回路參數(shù)。先放上副回路參數(shù)，再放上主回路參數(shù)，假如得到滿足的過度過程，那末整定工作完畢。否那末可進(jìn)展適當(dāng)調(diào)整。假如主、副對象時(shí)間常數(shù)相差不大，按4：1衰減曲線法整定，可能浮現(xiàn)〃共振〃危（wei）險(xiǎn)，這時(shí)，可適當(dāng)減小副回路比例度或者積分時(shí)間，以到達(dá)減少副回路振蕩周期的目的。同理，加大主回路比例度或者積分時(shí)間，以期增大主回路振蕩周期，使主、副回路振蕩周期之比加大，防止〃共振〃。這樣做的結(jié)果會降低調(diào)節(jié)質(zhì)量。假如主、副對象特性太相近，那末講明確定的方案欠妥當(dāng)，就不能徹底依靠參數(shù)整定來進(jìn)步調(diào)節(jié)質(zhì)量了。實(shí)際應(yīng)用體味：一是利用數(shù)字PID控制算法調(diào)節(jié)直流機(jī)電的速度，方案是采用光電開關(guān)來獲得機(jī)電的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的脈沖信號，單片機(jī)（MSP430G2553）通過測量脈沖信號的頻率來計(jì)算機(jī)電的轉(zhuǎn)速〔詳細(xì)測量頻率的算法是采用直接測量法，定時(shí)1s測量脈沖有多少個(gè)，本身的測量誤差可以有0.5轉(zhuǎn)加減），測量的轉(zhuǎn)速同給定的轉(zhuǎn)速發(fā)展比擬產(chǎn)生誤差信號，來產(chǎn)生控制信號，控制信號是通過PWM調(diào)整占空比也就是調(diào)整輸出摹擬電壓來控制的〔相當(dāng)于1位的DA,假如用10位的DA來發(fā)展模擬調(diào)整呢？效果會不會好不少？），這個(gè)實(shí)驗(yàn)控制才干有一定的范圍，只能在30轉(zhuǎn)/秒和150轉(zhuǎn)/秒之間發(fā)展控制，當(dāng)給定值〔程序中給定的速度〕高于150時(shí)，實(shí)際速度只能保持在150轉(zhuǎn)，這也就是此系統(tǒng)的最大控制才干，當(dāng)給定值低于30轉(zhuǎn)時(shí)，直流機(jī)電轉(zhuǎn)軸實(shí)際是不轉(zhuǎn)動(dòng)的，但由于誤差值過大，轉(zhuǎn)速會迅速變高，然后又會停頓轉(zhuǎn)動(dòng)，就這樣循環(huán)往復(fù)，不能到達(dá)控制效果。根據(jù)實(shí)測，轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)精度在正負(fù)3轉(zhuǎn)以內(nèi)，控制時(shí)間為4到5秒。實(shí)驗(yàn)只發(fā)展到這種程度，考慮和分析也只停留在這種深度。二是利用數(shù)字PID控制算法調(diào)節(jié)直流減速機(jī)電的位置，方案是采用與機(jī)電同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的精細(xì)電位器來測量機(jī)電轉(zhuǎn)動(dòng)的位置和角度，通過測量得到的角度和位置與給定的位置發(fā)展比擬產(chǎn)生誤差信號，然后位置誤差信號通過一定關(guān)系〔此關(guān)系純屬根據(jù)想象和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來擬定和改善的）轉(zhuǎn)換成PWM信號，作為控制信號的PWM信號是先產(chǎn)生對直流減速機(jī)電的摹擬電壓U,U來控制直流減速機(jī)電的力矩〔不太清晰），力矩產(chǎn)生加速度，加速度產(chǎn)生速度，速度改變位置，輸出量是位置信號，所以之間應(yīng)該對直流減速機(jī)電發(fā)展系統(tǒng)建模分析,仿真出直流減速機(jī)電的近似系統(tǒng)傳遞函數(shù)，然后根據(jù)此函數(shù)便可以對PID的參數(shù)發(fā)展整定了。兩次體味都不是十分清晰PID參數(shù)是怎樣整定的，沒有十分明晰的理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)步驟，對結(jié)果的整理和分析也不夠及時(shí)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)深度和程度都不能到達(dá)理想效果。PID是閉環(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，就是得有反應(yīng)。比方控制一個(gè)機(jī)電的轉(zhuǎn)速，就得有一個(gè)測量轉(zhuǎn)速的傳感器，并將結(jié)果反應(yīng)到控制道路上，下面也將以轉(zhuǎn)速控制為例。PID是比例(P)、積分⑴、微分(D)控制算法但并非必須同時(shí)具備這三種算法，也可以是PD,PI,甚至只有P算法控制。我以前對于閉環(huán)控制的一個(gè)最樸素的想法就惟獨(dú)P控制，將當(dāng)前結(jié)果反應(yīng)回來，再與目的相減，為正的話，就減速，為負(fù)的話就加速。如今知道這只是最簡單的閉環(huán)控制算法。PID控制器構(gòu)造對偏向信號發(fā)展比例、積分和微分運(yùn)算變換后形成一種控制規(guī)律。〃利用偏向，糾正偏向〃。摹擬PID控制器PID控制器的輸入輸出關(guān)系為：比例(P)、積分⑴、微分(D)控制算法各有作用比例，反響系統(tǒng)的根本(當(dāng)前)偏向e(t),系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；積分，反響系統(tǒng)的累計(jì)偏向，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，進(jìn)步無差度，由于有誤差，積分調(diào)節(jié)就發(fā)展，直至無誤差；微分，反映系統(tǒng)偏向信號的變化率e(t)-e(t-l),具有預(yù)見性，能預(yù)見偏向變化的趨勢，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏向還沒有形成之前，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。但是微分對噪聲干擾有放大作用，加強(qiáng)微分對系統(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?？刂破鞯腜JD項(xiàng)選擇下面將常用的各種控制規(guī)律的控制特點(diǎn)簡單歸納一下：(1)、比例控制規(guī)律P：采用P控制規(guī)律能較快地節(jié)制擾動(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)果是雖較能有效的節(jié)制擾動(dòng)的影響，但有余差浮現(xiàn)。它合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)有余差的場合。如：金彪公用工程部下設(shè)的水泵房冷、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。積分能在比例的根抵上消除余差，它合用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場合。如：在主線窯頭重油換向室中F1401到F1419號槍的重油流量控制系統(tǒng);油泵房供油管流量控制系統(tǒng);退火窯各區(qū)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，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分介入控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對于進(jìn)步系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果。因此，對于控制通道的時(shí)間常數(shù)或者容量滯后較大的場合，為了進(jìn)步系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài)偏向等可選用比例微分控制規(guī)律。如：加熱型溫度控制、成份控制。需要講明一點(diǎn)，對于那些純滯后較大的區(qū)域里，微分項(xiàng)是無能為力，而在測量信號有噪聲或者周期性振動(dòng)的系統(tǒng)，那末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，它在比例的根抵上引入積分，可以消除余差，再參加微分作用，又能進(jìn)步系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它合用于控制通道時(shí)間常數(shù)或者容量滯后較大、控制要求較高的場合。如溫度控制、成份控制等。鑒于D規(guī)律的作用，我們還必須理解時(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：測量滯后和傳送滯后。測量滯后是檢測元件在檢測時(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。而傳送滯后那末是在傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備產(chǎn)生的一種控制滯后。純滯后是相對與測量滯后的，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需要很長的一段時(shí)間。總之，控制規(guī)律的選用要根據(jù)經(jīng)過特性和工藝要求來選取，決不是講PID控制規(guī)律在任何情況下都具有較好的控制性能,不分場合都采用是不明智的。假如這樣做，只會給其它工作增加復(fù)雜性，并給參數(shù)整定帶來艱難。當(dāng)采用PID控制器還達(dá)不到工藝要求，那末需要考慮其它的控制方案。如串級控制、前饋控制、大滯后控制等。Kp,Ti,Td三個(gè)參數(shù)的設(shè)定是PID控制算法的關(guān)鍵問題。普通講來編程時(shí)只能設(shè)定他們的大概數(shù)值，并在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過反復(fù)調(diào)試來確定最正確值。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)。數(shù)字PID控制器(1)摹擬PID控制規(guī)律的離散化(2)數(shù)字PID控制器的差分方程參數(shù)的自整定在某些應(yīng)用場合，比方通用儀表行業(yè)，系統(tǒng)的工作對象是不確定的，不同的對象就得采用不同的參數(shù)值，沒法為用戶設(shè)定參數(shù)，就引入?yún)?shù)自整定的概念。本質(zhì)就是在首次使用時(shí)，通過N次測量為新的工作對象尋覓一套參數(shù)，并記憶下來作為以后工作的根據(jù)。詳細(xì)的整定方法有三種：臨界比例度法、衰減曲線法、經(jīng)歷法。1、臨界比例度法（Ziegler-Nichols）在純比例作用下，逐漸增加增益至產(chǎn)生等副震蕩，根據(jù)臨界增益和臨界周期參數(shù)得出PID控制器參數(shù)，步驟如下：（1〕將純比例控制器接入到閉環(huán)控制系統(tǒng)中〔設(shè)置控制器參數(shù)積分時(shí)間常數(shù)Ti=-,實(shí)際微分時(shí)間常數(shù)Td=0）o〔2〕控制器比例增益K設(shè)置為最小，參加階躍擾動(dòng)〔普通是改變控制器的給定值），觀察被調(diào)量的階躍響應(yīng)曲線。（3）由小到大改變比例增益K,直到閉環(huán)系統(tǒng)浮現(xiàn)振蕩。（4〕系統(tǒng)浮現(xiàn)持續(xù)等幅振蕩時(shí)，此時(shí)的增益為臨界增益［Ku）,振蕩周期〔波峰間的時(shí)間〕為臨界周期（Tu）o（5〕由表1得出PID控制器參數(shù)。采用臨界比例度法整定時(shí)應(yīng)留意以下幾點(diǎn):(1)在采用這種方法獲取等幅振蕩曲線時(shí)，應(yīng)使控制系統(tǒng)工作在線性區(qū)，不要使控制閥浮現(xiàn)開、關(guān)的極端狀態(tài)，否那么得到的持續(xù)振蕩曲線可能是〃極限循環(huán)〃，從線性系統(tǒng)概念上講系統(tǒng)早已處于發(fā)散振蕩了。[2)由于被控對象特性的不同，按上表求得的控制器參數(shù)不一定都能獲得滿足的結(jié)果。對于無自平衡特性的對象，用臨界比例度法求得的控制器參數(shù)往住使系統(tǒng)響應(yīng)的衰減率偏大母〉0.75]。而對于有自平衡特性的高階等容對象，用此法整定控制器參數(shù)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)衰減率大多偏小(ip<0.75)o為此，上述求得的控制器參數(shù)，應(yīng)針對詳細(xì)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行經(jīng)過中發(fā)展在線校正。13〕臨界比例度法合用于臨界振幅不大、振蕩周期較長的經(jīng)過控制系統(tǒng)，但有些系統(tǒng)從安全性考慮不允許發(fā)展穩(wěn)定邊界試驗(yàn)，如鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。還有某些時(shí)間常數(shù)較大的單容對象，用純比例控制時(shí)系統(tǒng)始終是穩(wěn)定的，對于這些系統(tǒng)也是無法用臨界比例度法來發(fā)展參數(shù)整定的。(4〕只合用于二階以上的高階對象，或者一階加純滯后的對象，否那末，在純比例操縱情況下，系統(tǒng)不會浮現(xiàn)等幅振蕩。L3假設(shè)求出被控對象的靜態(tài)放大倍數(shù)KP=Ay/Au,那末增益乘積KpKu可視為系統(tǒng)的最大開環(huán)增益。通常以為Ziegler-Nichols閉環(huán)試驗(yàn)整定法的合用范圍為：〔1〕當(dāng)KpKu20時(shí)，應(yīng)采用更為復(fù)雜的控制算法，以求較好