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PID控制的原理和特點

發布時間:2014-06-19   點擊次數:625次

PID控制的原理和特點

 

在工程實際中,應用的調節器控制規律為比例、積分、微分控制,簡稱PID控制,又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史,它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握,或得不到的數學模型時,控制理論的其它技術難以采用時,系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定,這時應用PID控制技術zui為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時,用PID控制技術。PID控制,實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差,利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。階躍響應

階躍響應是指將一個階躍輸入(step function)加到系統上時,系統的輸出。穩態誤差是指系統的響應進入穩態后﹐系統的期望輸出與實際輸出之差??刂葡到y的性能可以用穩、準、快三個字來描述。穩是指系統的穩定性(stability),一個系統要能正常工作,首先必須是穩定的,從階躍響應上看應該是收斂的﹔準是指控制系統的準確性、控制精度,通常用穩態誤差來(Steady-state error)描述,它表示系統輸出穩態值與期望值之差﹔快是指控制系統響應的快速性,通常用上升時間來定量描述。

閉環控制系統

閉環控制系統(closed-loop control system)的特點是系統被控對象的輸出(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。閉環控制系統有正反饋和負反饋,若反饋信號與系統給定值信號相反,則稱為負反饋( Negative Feedback),若極性相同,則稱為正反饋,一般閉環控制系統均采用負反饋,又稱負反饋控制系統。閉環控制系統的例子很多。比如人就是一個具有負反饋的閉環控制系統,眼睛便是傳感器,充當反饋,人體系統能通過不斷的修正zui后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛,就沒有了反饋回路,也就成了一個開環控制系統。另例,當一臺真正的全自動洗衣機具有能連續檢查衣物是否洗凈,并在洗凈之后能自動切斷電源,它就是一個閉環控制系統。

(1)比例(P)控制

比例控制是一種zui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輸出存在穩態誤差(Steady-state error)。

(2)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。對一個自動控制系統,如果在進入穩態后存在穩態誤差,則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統(System with Steady-state Error)。為了消除穩態誤差,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態誤差進一步減小,直到等于零。因此,比例+積分(PI)控制器,可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。

(3)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。

自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件(環節)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)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。

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