PID控制介紹文檔

TITLE小明與水缸的故事 項(xiàng)目：DOCPROPERTY"projectname"小明與水缸的故事文檔名稱：TITLE小明與水缸的故事版本：DOCPROPERTYVersionR/1文檔編號(hào)：DOCPROPERTY"Docnumber"IntroductiontoPIDControl日期：DOCPROPERTYFinalVersionDate2020年11月25日頁：小明與水缸的故事-簡述PID比例積分微分控制小明面前有一個(gè)用于蓄水的水缸，用戶可以通過水缸下面的花灑進(jìn)行取水，但取水時(shí)間和取水量并不固定。而且由于年久失修，水缸還有些漏水。老板要求小明同學(xué)通過往水缸里加水的辦法，時(shí)刻將水平面高度維持在同一個(gè)設(shè)定位置上。小提示：PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。本文將繞過數(shù)學(xué)公式簡述比例積分微分控制原理。圖SEQ圖\*ARABIC1：PID控制反饋回路采樣周期小明接到任務(wù)后就一直守在水缸旁邊，時(shí)間一長就覺得無聊，改為每30分鐘來檢查一次水面高度。水漏得太快，每次小明來檢查時(shí)，水都快漏完了，離要求的高度相差很遠(yuǎn)。小明又改為每3分鐘來檢查一次，結(jié)果每次來水都沒怎么漏，不需要加水，來得太頻繁做的是無用功。幾次試驗(yàn)后，確定每10分鐘來檢查一次。這個(gè)檢查時(shí)間就稱為采樣周期。小提示：在電氣設(shè)計(jì)選擇傳感器時(shí)，需要注意控制系統(tǒng)所需要的采樣周期，采樣周期過長將難以保證系統(tǒng)完成控制要求，采樣時(shí)間過短將浪費(fèi)系統(tǒng)資源。比例控制剛開始，小明用瓢加水，由于水龍頭離水缸有十幾米的距離，經(jīng)常要跑好幾趟才加夠水。于是小明又改為用桶加，一加就是一桶，跑的次數(shù)少了，加水的速度也快了，但好幾次將缸給加溢出了，不小心弄濕了幾次鞋。小明又動(dòng)腦筋，我不用瓢也不用桶，改用盆，幾次下來，發(fā)現(xiàn)剛剛好，不用跑太多次，也不會(huì)讓水溢出。這個(gè)加水工具的大小就稱為比例系數(shù)。小提示：由于閉環(huán)系統(tǒng)中存在著各種各樣的延遲作用，就像小明需要從測量、判斷、運(yùn)輸、執(zhí)行的過程一樣，系統(tǒng)由于延遲因素的存在，按照測量差值的一定比例調(diào)節(jié)，很可能存在調(diào)節(jié)不及時(shí)或者調(diào)節(jié)過量的情況。

比例控制的比例系數(shù)如果太小，調(diào)節(jié)的力度不夠，使系統(tǒng)輸出量變化緩慢，調(diào)節(jié)所需的總時(shí)間過長。比例系數(shù)如果過大，調(diào)節(jié)力度太強(qiáng)，將造成調(diào)節(jié)過頭，致使水位忽高忽低，來回震蕩。增大比例系數(shù)使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，調(diào)節(jié)速度加快，并且可以減小穩(wěn)態(tài)偏差。但是比例系數(shù)過大會(huì)使超調(diào)量增大，振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時(shí)間加長，動(dòng)態(tài)性能變壞，比例系數(shù)太大甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。單純的比例控制很難保證調(diào)節(jié)得恰到好處，完全消除偏差。圖SEQ圖\*ARABIC2：不同比例系數(shù)下控制效果積分控制小明發(fā)現(xiàn)雖然將加水工具由桶改為了盆，但由于用水量的不確定和水缸的漏水，在加水的過程中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)過慢或者反復(fù)波動(dòng)的現(xiàn)象。于是，聰明的小明又想了一個(gè)辦法，在水缸旁邊放置幾個(gè)有水和沒水的水瓢。在采用用盆加水不變的前提下，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)，水位線總是低于設(shè)定值時(shí)，小明另外多加一瓢水。相反，當(dāng)他發(fā)現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)，水位線總是偏高時(shí)就倒掉一瓢水。通過幾次實(shí)驗(yàn)，小明終于找到了大小合適的瓢子及積分時(shí)間。小提示：如果單使用同一個(gè)固定比例系數(shù)的比例控制，在期望值變化時(shí)，將會(huì)存在永遠(yuǎn)達(dá)不到期望值的情況或者超調(diào)量過高的情況。因此積分部分的作用是消除穩(wěn)態(tài)偏差，提高控制精度，積分作用一般是必須的。圖SEQ圖\*ARABIC3：不同積分系數(shù)下控制效果微分控制小明終于喘了一口，但任務(wù)的要求突然嚴(yán)了，不能高出太多，否則不給工錢。小明又為難了！于是他又開動(dòng)腦筋，終于讓它想到一個(gè)辦法，常放一盆備用水在旁邊，一發(fā)現(xiàn)水位下降速率較快時(shí)，不經(jīng)過瓢水就是一盆水下去，這樣及時(shí)性是保證了，但水位有時(shí)有快速升高的趨勢。他又在要求水面位置上面一點(diǎn)將水鑿一孔，再接一根管子到下面的備用桶里這樣多出的水會(huì)從上面的孔里漏出來。這個(gè)通過觀察水位變化速率及趨勢快慢的控制稱為微分控制。小提示：比例積分控制系統(tǒng)的振蕩、甚至不穩(wěn)定的根本原因在于有較大的滯后因素。因?yàn)槲⒎猪?xiàng)能預(yù)測偏差變化的趨勢，這種“超前”的作用可以抵消滯后因素的影響。適當(dāng)?shù)奈⒎挚刂谱饔每梢允钩{(diào)量減小，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖SEQ圖\*ARABIC4：不同微分系數(shù)下控制效果PID參數(shù)的控制效果在整定PID控制器參數(shù)時(shí)，可以根據(jù)控制器的參數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能之間的定性關(guān)系，用實(shí)驗(yàn)的方法來調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)。有經(jīng)驗(yàn)的調(diào)試人員一般可以較快地得到較為滿意的調(diào)試結(jié)果。在調(diào)試中最重要的問題是在系統(tǒng)性能不能令人滿意時(shí)，知道應(yīng)該調(diào)節(jié)哪一個(gè)參數(shù)，該參數(shù)應(yīng)該增大還是減小。為了減少需要整定的參數(shù)，首先可以采用PI控制器。為了保證系統(tǒng)的安全，在調(diào)試開始時(shí)應(yīng)設(shè)置比較保守的參數(shù)，例如比例系數(shù)不要太大，積分時(shí)間不要太小，以避免出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定或超調(diào)量過大的異常情況。如果階躍響應(yīng)的超調(diào)量太大，經(jīng)過多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不穩(wěn)定，應(yīng)減小比例系數(shù)、增大積分時(shí)間。如果階躍響應(yīng)沒有超調(diào)量，但是被控量上升過于緩慢，過渡過程時(shí)間太長，應(yīng)按相反的方向調(diào)整參數(shù)。如果消除偏差的速度較慢，可以適當(dāng)減小積分時(shí)間，增強(qiáng)積分作用。反復(fù)調(diào)節(jié)比例系數(shù)和積分時(shí)間，如果超調(diào)量仍然較大，可以加入