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模拟电路设计系列讲座二十四:PID控制策略

电力电子达摩院 2019-06-22 20:01 发文

有人让讲一下控制系统中的PID,本文就简要介绍一下PID基本控制策略。PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单,鲁棒性好和可靠性高,被广泛用于工业控制当中。

常规PID控制系统原理框图如下,该系统由模拟PID控制器以及被控对象组成。

PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差:

e(t)=r(t)-y(t)

将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,故称PID控制器。其控制规律为:

式中:

Kc - 比例系数

TI - 积分时间常数

TD - 微分时间常数

一:PID 控制特点

原理简单,使用方便

适应性强:可以广泛应用于各个工业控制领域

鲁棒性强:即其控制品质对被控对象特征的变化不大敏感

二:PID比例环节

P调节对偏差信号e(t)能够及时作出反应,无任何丝毫的滞后。

输出u实际上是对起始值的增量,因此,当偏差e(t)为0时,u=0,并不意味着调节器没有输出,只说明此时u=u0。

u0的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的。

简单来说,对于比例环节,偏差一旦产生,控制器就会立即产生控制作用,以减少偏差。

三:积分环节

I调节器的输出不仅与偏差信号的大小有关,还与偏差存在的时间长短有关。

只要偏差存在,调节器的输出就会不断变化,直到偏差为零,调节器的输出才稳定下来不再变化。

所以积分调节作用能自动消除余差。

注意I调节的输出不像P调节那样随偏差为零而变到零。

积分调节的特点就是无差调节,只要偏差不为零,控制输出就不为零,它就要动作到把被调量的静差完全消除为止。而一旦被调量偏差e为零,积分调节器的输出就保持不变。

积分调节具有滞后性质,对于同一个被控对象,I调节比P调节进行得要缓慢,除非积分速度无穷大,否则I调节就不能像P调节那样及时对偏差加以响应,而是滞后于偏差的变化,它的滞后性使其难以对干扰进行及时控制。

所以在工业控制中,积分环节通常和其他控制策略一起使用。

      简单来讲,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。

      P调节与I调节比较

P调节及时性强,但有余差;

I调节无余差,但超调大,不如P稳定。

四:微分环节

微分调节只与偏差的变化成比例,偏差变化越剧烈,由微分调节器给出的控制作用越大,从而及时地抑制偏差的增长,提高系统的稳定性。

P和I是根据已经形成的被调参数与给定值之偏差而动作(即偏差的方向和大小进行调节)。

微分调节是根据偏差信号的微分,即偏差变化的速度而动作的。只要偏差一露头,调节器就立即动作,以求更好的调节效果,而偏差如没有变化,微分调节就不起作用。

微分调节只是对偏差的变化做出调节,而与偏差的大小无关,所以微分调节不能消除余差。因此微分调节不能单独使用。

简单来讲,微分环节能够反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号值变得太大之前,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,减小调节时间。

五:总结

PID是比例、积分、微分的缩写Proportional-Integral-Differential。比例作用的输出与偏差大小成正比;积分作用的输出变化速度与偏差成正比;微分作用的输出与偏差变化速度成正比。

比例调节作用:是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差。但是过大的比例,会使系统的稳定性下降,甚至造成系统的振荡。

积分调节作用:是使系统消除稳态误差,积分作用的强弱取决于积分时间常数,积分时间常数越小,积分作用就越强。反之,积分作用就越弱。加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用通常与另外两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。

微分调节作用:微分作用反应系统偏差信号的变化率,具有预见性,能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此可以改善系统的动态性能,在微分时间常数选择合适的情况下,可以减少超调减少调节时间。当然,微分调节对于噪声信号也有放大作用,因此过强微分调节,对系统抗干扰不利。另外微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。

    下一节将介绍控制理论中很重要的一个环节,电流采样、比例放大以及电流采样环节的误差分析。

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