PID 控制器

PID 控制器將對閉環控制環中的誤差信號進行處理并試圖對被控量進行調節以獲得期望的系統響應。被控參數可以是任何可測量的系統參量,如轉速、轉矩或磁通。PID 控制器的優點在于可根據經驗對一個或多個增益值進行整定并觀察系統響應變化情況來確定合理的增益參數。

數字PID 控制器的以周期性采樣方式執行。假定控制器的執行頻率足夠高可以滿足系統控制要求。誤差信號通過將被控參數的期望設定值減去該參數的實際測量值來獲得。誤差的符號表明控制輸入所要求的變化方向。
PID 控制器的比例(P)項由誤差信號乘以P 增益形成,該項使PID 控制器產生的控制響應為誤差幅值的函數(即比例關系)。當誤差信號增大時,控制器的P 項也將變大以實現更大的校正效果。P 項的效果是隨著時間變化趨向于使系統總誤差減小。然而,當誤差趨近于零時,P 項的效果將不明顯。在大多數系統中,被控參數的誤差將十分接近于零但并不收斂。因此仍存在小的靜態誤差。
PID 控制器的積分(I)項用來消除小的靜態誤差。I 項將對誤差信號連續累計。因此,隨著時間變化小的靜態誤差可累計為較大的誤差值。將該累計誤差信號與I 增益因子相乘即可獲得PID 控制器的I 輸出項。

PID 的微分(D)項用于改善控制器的速度并響應誤差信號的變化率。D 項輸入通過將前一誤差值減去當前誤差值來獲得。兩者的差值乘以D 增益因子便獲得PID 控制器的D 輸出項。系統誤差變化越快,則控制器的D 項將產生的控制輸出越大。

PID 增益整定
PID 控制器的P增益設定了整個系統的響應。當開始調節控制器時,應將ID 增益設置為零。隨后,可增加P 增益直至系統對設定點變化響應良好,沒有過大的超調或振蕩發生。使用較小的P 增益值將使得系統響應較慢,而較大的P 增益值將使得系統響應較快。此時,可能無法使系統響應收斂到設定值。

在確定合適的P 增益之后,可緩慢增加I 增益值以使系統誤差為零。在大多數系統中只需設置較小的I增益值。需要注意的是,如果I 增益取值過大,其效果可能抵消P 項的作用,即使得整體控制響應變慢并使系統在設定點附近振蕩。如果發生振蕩,減小I 增益并增大P 增益通??梢越鉀Q這一問題。

D 增益可加快系統響應。然而,在使用該增益時必須注意,該項可能產生較大的輸出擺動,從而可能引起電機機械損壞。

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