PID控制及其应用.pdf

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1、P PI ID D 控控制制及及其其应应用用公司内部编号：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-1 1.简简介介PID 控制指的是一种闭环控制方式,将输入输出偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制。2.PID PID 控制原理控制原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是 PID 控制。模拟 PID控制系统原理框图如图 1-1 所示。系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成。PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差PID 的控制规律为或写成传递函数的形式式中，Kp

2、-比例系数；Ti-积分时间常数；Td-微分时间常数。简单说来，PID 控制器各校正环节的作用如下：（1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号 error(t),偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。（2）积分环节：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 TI，TI 越大，积分作用越弱，反之则越强。（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），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。3.数字数字 PIDPID 算法原理算法原理在计算控制系统中，使用的是数字 PID 控制器，数字 PI

3、D 控制算法通常又分为位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。位置式算法输出的是执行机构的实际位置，如有干扰的话，会导致大幅度变化。而增量式 PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量，所以电机控制一般都采用增量式 PID 算法。增量式 PID 算法公式:-u(k)=Kpu(k)=Kpe(k)+Kie(k)+Kde(k)+Kie(k)+Kde(k)-e(k)-e(k-1)e(k-1)-e(k)=e(k)e(k)=e(k)e(k-1)e(k-1)-e(k-1)=e(k-1)e(k-1)=e(k-1)e(k-2)e(k-2)-e(k)=r(k)-e(k)=r(k)c(k)(c(k)(

4、因在速度控制导通角上开始是从大变小因在速度控制导通角上开始是从大变小,所所以该公式须变成以该公式须变成 c(k)-r(k)c(k)-r(k)参数说明:k k-采样序号,k=0,1,2-;r(t)r(t)-速度给定值;c(t)c(t)-速度实际输出值;u(k)u(k)-第 K 次采样时刻的计算机输出增量值；e(k)e(k)-第 K 次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)e(k-1)-第(k-1)次采样时刻输入的偏差值;K KI I-积分系数，KI=KP*T/TI；K KD D-微分系数，KD=KP*TD/T；T T-采样调期;KpKp-比例系数;T TI I-积分时间常数T TD D-微分时间常数

5、开始计算 KP,KI,KD设e(k-1)=e(k-被控制对象(计算偏差值e(k)=r(k)计算控制量u(k)包括步进电动机)输出u(k)为下一时刻做准备Y采样时间到N4.4.PID PID 控制参数整定方法控制参数整定方法PID 控制参数的自动整定分两步进行，第一步是初始确定 PID 控制参数；第二步是在初定的 PID 控制参数基础上，根据直线电机控制系统的响应过程和控制目标期望值，修正初定的 PID 参数，直至电机系统的控制指标符合所需求为止.在数字控制系统中，采样周期 T 是一个比较重要的因素，采样周期的选取，应与 PID 参数的整定综合考虑，选取采样周期时，一般应考虑下列几个因素：（1）

6、采样周期应远小于对象的扰动信号的周期。（2）采样周期应比对象的时间常数小得多，否则采样信号无法反映瞬变过程.（3）对象所要求的调节品质，在计算机运算速度允许的情况下，采样周期短，调节品质好.（4）性能价格比，从控制性能来考虑，希望采样周期短，但计算机运算速度，以及 A/D 和 D/A 的转换速度要相应的提高，导致计算机的费用增加。（5）计算机所承担的工作量，如果控制的回路数多，计算量大，则采样周期要加长，反之，可以缩短。由上述分析可知，采样周期受各种因素的影响，有些是相互矛盾的，必须视具体情况和主要的要求作出折中的选择，在直线电机的单片机控制系统中，PID 调节控制过程是在定时中断状态下完成的

7、，因此，采样周期T 的大小必须保证中断服务程序的正常运行。在不影响中断程序运行的情况下，可取采样周期 T=0.1t(t 为电机系统的纯滞后时间).当中断程序的运行时间 Tz 大于 0.1t 时，则取 T=Tz.因此，采样周期可按下式确定：初始确定数字 PID 控制参数时，在用上述方法确定的采样周期 T 的条件下，从直线电机的数字 PID 调节控制回路中，去掉数字控制器的微分控制作用和积分控制作用，只采用比例调节环节来确定系统的振荡周期 Ts和临界比例系数 Ks.由单片机系统自动控制比例系数 Kp,并逐渐增大 Kp,直到电机系统发生持续的等幅振荡，然后由单片机系统自动记录电机系统发生持续的等幅振

8、荡，然后由单片机系统自动记录电机系统发生等幅振荡时的临界比例度 s 和相应的临界振荡周期 Ts.s=1/KsKs-等幅振荡时的临界比例系数.根据所测得的临界比例度 s 和临界振荡周期 Ts,便可初始确定数字 PID的控制参数为利用初始确定的数字 PID 控制参数，便可以对直线电机系统进行实时控制，采用人工智能方法实现 PID 控制参数的自动整定，以达到良好的电机控制效果.5.PID5.PID 应用程序实例应用程序实例B_Error=(6000000/(_D_Pulse*_D_Clock)*B_AvrSpeed)-B_Error=(6000000/(_D_Pulse*_D_Clock)*B_Av

9、rSpeed)-B_Speed_Goal;B_Speed_Goal;_D_Pulse:马达转一圈产生多少信号,取决于磁极对数,一对则对应一个信号。_D_Clock:单片机定时器最小间隔时间(4MHz时,1us)B_AvrSpeed:HALL反馈一个信号周期的时间(单位是us)B_Speed_Goal:当前需要的目标速度(rpm),这个值一般是目标速度除以10,也就是理论能把电机转速偏差控制在 10转左右.6000000:是一分钟(转成us)除以10,以便跟目标速度相对应.对应公式为对应公式为:e(k)=c(k)-r(k)e(k)=c(k)-r(k)B_Delta_Error=B_Error-B

10、_Error_1;B_Delta_Error=B_Error-B_Error_1;对应公式为对应公式为:e(k)=e(k)e(k)=e(k)e(k-1)e(k-1)B_cal_temp=(_D_Ki*B_Error)+B_cal_temp=(_D_Ki*B_Error)+(_D_Kd*(B_Delta_Error-B_Delta_Error_1)3)(_D_Kd*(B_Delta_Error-B_Delta_Error_1)3)+(_D_Kp*B_Delta_Error)4);(_D_Kp*B_Delta_Error)9;B_KpidM=B_cal_temp 9;因理论得出的调整值会很大,须进

11、行适当的衰减,右移9 位,相当于除以512.值太大,电机容易跑飞,不好控制,值太小则加速太慢,这个值可以根据调试决定.B_KpidM:为导通角的调整量if(B_KpidM 127)if(B_KpidM 127)B_KpidM=127;B_KpidM=127;else if(B_KpidM -127)else if(B_KpidM -127)B_KpidM=-127;B_KpidM=-127;以上为增加电机稳定性,提高抗干扰能力,防止调整量饱和.设置每次调整量最大不超过127us.这个值可以根据转速高低来决定，低速时可适当增大此值(以改善HUNTING现象)，高速时可不用那么大。B_Error_1=B_Error;B_Error_1=B_Error;B_Delta_Error_1=B_Delta_Error;B_Delta_Error_1=B_Delta_Error;此为赋值操作,为下一次计算做准备.B_New_Angle=B_Old_Angle+B_KpidM;B_New_Angle=B_Old_Angle+B_KpidM;得出新的导通角为以前的导通角加上计算出来的调整量,这个调整量可能是正的，也可以是负的.