Pid控制直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1、直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)匯報(bào)人：匯報(bào)人：PID控制1、模擬 PID 控制 1.1模擬 PID 控制原理 2、數(shù)字 PID 控制 2.1位置式 PID 算法 2.2增量式 PID 算法 2.3控制器參數(shù)整定 2.4參數(shù)調(diào)整規(guī)則的探索 2.5自校正 PID 控制器PID介紹： 在工程實(shí)際中 ,應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制 ,簡(jiǎn)稱 PID 控制 ,又稱PID 調(diào)節(jié). PID 控制器問(wèn)世至今已有近 70 年歷史 ,它以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一. 偏差的比例（Proportion）、積分（Integral）和微分（Differential）通

2、過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，這樣的控制器稱 PID 控制器。模擬 PID 控制原理 比例部分 比例部分的數(shù)學(xué)式表示是：Kp*e(t) 在模擬 PID 控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間作出反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp ，比例系數(shù)Kp越大，控制作用越強(qiáng)，則過(guò)渡過(guò)程越快，控制過(guò)程的靜態(tài)偏差也就越?。坏荎p越大，也越容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故而，比例系數(shù)Kp選擇必須恰當(dāng)，才能過(guò)渡時(shí)間少，靜差小而又穩(wěn)定的效果。 積分部分積分部分的數(shù)學(xué)式表示是： 從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差

3、，則它的控制作用就不斷的增加；只有在偏差e(t)=0時(shí)，它的積分才能是一個(gè)常數(shù)，控制作用才是一個(gè)不會(huì)增加的常數(shù)?？梢?，積分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。 積分常數(shù)Ti越大，積分的積累作用越弱，這時(shí)系統(tǒng)在過(guò)渡時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振蕩；但是增大積分常數(shù)Ti會(huì)減慢靜態(tài)誤差的消除過(guò)程，消除偏差所需的時(shí)間也較長(zhǎng)，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)Ti 較小時(shí)，則積分的作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過(guò)渡時(shí)間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過(guò)消除偏差所需的時(shí)間較短。所以必須根據(jù)實(shí)際控制的具體要求來(lái)確定Ti 。 微分部分微分部分的數(shù)學(xué)式表示是： 實(shí)際的控制系統(tǒng)除了

4、希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加快調(diào)節(jié)過(guò)程。在偏差出現(xiàn)的瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對(duì)偏差量做出立即響應(yīng)（比例環(huán)節(jié)的作用），而且要根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)預(yù)先給出適當(dāng)?shù)募m正。為了實(shí)現(xiàn)這一作用，可在 PI 控制器的基礎(chǔ)上加入微分環(huán)節(jié)，形成 PID 控制器。 微分環(huán)節(jié)的作用使阻止偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)（變化速度）進(jìn)行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對(duì)髙階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。但微分的作用對(duì)輸入信號(hào)的噪聲很敏感，對(duì)那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對(duì)輸

5、入信號(hào)進(jìn)行濾波。 微分部分的作用由微分時(shí)間常數(shù)Td 決定。Td 越大時(shí)，則它抑制偏差e(t)變化的作用越強(qiáng)；Td越小時(shí)，則它反抗偏差e(t)變化的作用越弱。微分部分顯然對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定有很大的作用。數(shù)字 PID 控制由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差計(jì)算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量量，進(jìn)行連續(xù)控制。積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。離散化處理的方法為：以T 作為采樣周期，k作為采樣序號(hào)，則離散采樣時(shí)間kt對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間 t，用矩形法數(shù)值積分近似代替積分，用一階后向差分近似代替微分，可作如下近似變換： 表示的控制算法式直接按所給出的 PID 控制規(guī)律定義

6、進(jìn)行計(jì)算的，所以它給出了全部控制量的大小，因此被稱為全量式或位置式 PID 控制算法。 這種算法的缺點(diǎn)是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)ek進(jìn)行累加，工作量大；并且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的uk對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，輸出的u將大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，有可能因此造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，這在實(shí)生產(chǎn)際中是不允許的。增量式 PID 算法 所謂增量式 PID 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量增量 k u 。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的控制量是增量，而不是位置量的絕對(duì)數(shù)值時(shí)，可以使用增量式 PID 控制算法進(jìn)行控制。 而位置式 PID 控制算法也可以通過(guò)增量式控制算

7、法推出遞推計(jì)算公式：控制器參數(shù)整定 控制器參數(shù)整定：指決定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分時(shí)間Ti 、微分時(shí)間Td 和采樣周期Ts 的具體數(shù)值。整定的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過(guò)程特性相匹配，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，取得最佳的控制效果。 整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的方法很多，歸納起來(lái)可分為兩大類，即理論計(jì)算整定法和工程整定法。理論計(jì)算整定法有對(duì)數(shù)頻率特性法和根軌跡法等；工程整定法有湊試法、臨界比例法、經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法和響應(yīng)曲線法等。工程整定法特點(diǎn)不需要事先知道過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，直接在過(guò)程控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定方法簡(jiǎn)單、計(jì)算簡(jiǎn)便、易于掌握。整定方法湊試法臨界比例法經(jīng)驗(yàn)法采樣周期的選擇 香農(nóng)（Shann

8、on）采樣定律 ：為不失真地復(fù)現(xiàn)信號(hào)的變化，采樣頻率至少應(yīng)大于或等于連續(xù)信號(hào)最高頻率分量的二倍。根據(jù)采樣定律可以確定采樣周期的上限值。實(shí)際采樣周期的選擇還要受到多方面因素的影響，不同的系統(tǒng)采樣周期應(yīng)根據(jù)具體情況來(lái)選擇。 采樣周期的選擇，通常按照過(guò)程特性與干擾大小適當(dāng)來(lái)選取采樣周期：即對(duì)于響應(yīng)快、（如流量、壓力）波動(dòng)大、易受干擾的過(guò)程，應(yīng)選取較短的采樣周期；反之，當(dāng)過(guò)程響應(yīng)慢（如溫度、成份）、滯后大時(shí)，可選取較長(zhǎng)的采樣周期。 采樣周期的選取應(yīng)與PID參數(shù)的整定進(jìn)行綜合考慮，采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于過(guò)程的擾動(dòng)信號(hào)的周期，在執(zhí)行器的響應(yīng)速度比較慢時(shí)，過(guò)小的采樣周期將失去意義，因此可適當(dāng)選大一點(diǎn)；在計(jì)算機(jī)運(yùn)算

9、速度允許的條件下，采樣周期短，則控制品質(zhì)好；當(dāng)過(guò)程的純滯后時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，一般選取采樣周期為純滯后時(shí)間的 1/41/8。參數(shù)調(diào)整規(guī)則的探索人們通過(guò)對(duì) PID 控制理論的認(rèn)識(shí)和長(zhǎng)期人工操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，可知 PID 參數(shù)應(yīng)依據(jù)以下幾點(diǎn)來(lái)適應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 1、在偏差比較大時(shí)，為使盡快消除偏差，提高響應(yīng)速度，同時(shí)為了避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)超調(diào)，Kp取大值， Ki取零；在偏差比較小時(shí)，為繼續(xù)減小偏差，并防止超調(diào)過(guò)大、產(chǎn)生振蕩、穩(wěn)定性變壞， Kp值要減小， Ki取小值；在偏差很小時(shí)，為消除靜差，克服超調(diào)，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定， Kp值繼續(xù)減小， Ki值不變或稍取大。2、當(dāng)偏差與偏差變化率同號(hào)時(shí)，被控量是朝偏離既定值方

10、向變化。因此，當(dāng)被控量接近定值時(shí)，反號(hào)的比列作用阻礙積分作用，避免積分超調(diào)及隨之而來(lái)的振蕩，有利于控制；而當(dāng)被控量遠(yuǎn)未接近各定值并向定值變化時(shí)，則由于這兩項(xiàng)反向，將會(huì)減慢控制過(guò)程。在偏差比較大時(shí)，偏差變化率與偏差異號(hào)時(shí)，值取零或負(fù)值， Kp以加快控制的動(dòng)態(tài)過(guò)程。3、偏差變化率的大小表明偏差變化的速率， 越大，取值越小， Kp取值越大， Ki反之亦然。同時(shí)，要結(jié)合偏差大小來(lái)考慮。4、微分作用可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，阻止偏差的變化，有助于減小超調(diào)量，消除振蕩，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間t ，允許加大Kp ，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度，達(dá)到滿意的控制效果。所以， e在比較大時(shí)， Kd取零，實(shí)際為 PI 控制；

11、在比e較小時(shí)， Kd取一正值，實(shí)行 PID 控制。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 同開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小受轉(zhuǎn)速給定電壓Un*控制，給定電壓為零時(shí)，電機(jī)停止；給定電壓增大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高；給定電壓減小時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。以升速控制為例，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理分析如下：轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)速反饋電壓會(huì)升高，但其升值小于給定電壓增值，電壓差總體上是增大的，轉(zhuǎn)速是上升的。直流雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 雙閉環(huán)是在單回路PID控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)。當(dāng)PID控制用于單回路控制一個(gè)被控量時(shí)，其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制參數(shù)易于整定。但是，當(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)有幾個(gè)因素影響同一個(gè)被控量時(shí)，如果只控制其中一

12、個(gè)因素，將難以滿足系統(tǒng)的控制性能。雙閉環(huán)控制針對(duì)上述情況，在原控制回路中，增加一個(gè)或幾個(gè)控制內(nèi)回路，用以控制可能引起被控量變化的其它因素，從而有效地抑制了被控對(duì)象的時(shí)滯特性，提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用場(chǎng)合: 應(yīng)用于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的高性能調(diào)速系統(tǒng)，保持勻速系統(tǒng)，例如可逆軋鋼機(jī)和龍門刨床等高精度控制工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。系統(tǒng)功能介紹系統(tǒng)功能介紹: 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是串級(jí)調(diào)速控制系統(tǒng)，即分別通過(guò)轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)協(xié)同作用來(lái)調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，由相應(yīng)的控制器連接外圍電路，實(shí)現(xiàn)設(shè)定、顯示和保護(hù)等功能。在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，即要控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)，又要控制電流使系統(tǒng)在充分利 用電

13、動(dòng)機(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最佳過(guò)度過(guò)程，其關(guān)鍵是處理好轉(zhuǎn)速控制和電流控制之間的關(guān)系。用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，用電流調(diào)節(jié)器ACR調(diào)節(jié)電流。ASR與ACR之間實(shí)現(xiàn)串級(jí)調(diào)節(jié)，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出電壓Ui作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號(hào)，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uc作為晶閘管觸發(fā)電路的移相控制電壓。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)看，速度環(huán)在外面為外環(huán)，電流環(huán)在里面為內(nèi)環(huán)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入、輸出限幅電路的PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋環(huán)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖直流調(diào)速系統(tǒng)的PIDPID仿真及分析直流電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如下：直流電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如下：電動(dòng)機(jī)：額定電壓

14、Unom=220V，額定電流Inom=136A，額定轉(zhuǎn)速nnom=1460r/min，電勢(shì)常數(shù)Ce=0.132*min/r。允許的過(guò)載倍數(shù)為1.5。晶閘管裝置的放大系數(shù)Ks=40。電樞回路總電阻R=0.5。電磁時(shí)間常數(shù)：Ti=0.03s。機(jī)電時(shí)間常數(shù)：Tm=0.18s。電流的反饋系數(shù)=0.05V/A。轉(zhuǎn)速的反饋系數(shù)=0.007 V*min/r。直流調(diào)速系統(tǒng)的PIDPID仿真及分析PID控制仿真當(dāng)給定電壓當(dāng)給定電壓Un=10V，step time=0s，加載負(fù)載電流，加載負(fù)載電流 =0A時(shí)，即時(shí)，即為空載的情況下，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化曲線如圖所示。為空載的情況下，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化曲線如圖所示。當(dāng)給定電壓當(dāng)給定電壓Un=10V，step time=0s,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定后，在當(dāng)轉(zhuǎn)