PID調節儀器控制的原理和特點(diǎn)
在工程實(shí)際中,應用的調節器控制規律為比例、積分、微分控制,簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制,又稱(chēng)PID調節。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史,它以其結構簡(jiǎn)單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結構和參數不能*掌握,或得不到的數學(xué)模型時(shí),控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí),系統控制器的結構和參數必須依*經(jīng)驗和現場(chǎng)調試來(lái)確定,這時(shí)應用PID控制技術(shù)zui為方便。即當我們不*了解一個(gè)系統和被控對象﹐或不能通過(guò)有效的測量手段來(lái)獲得系統參數時(shí),用PID控制技術(shù)。PID控制,實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差,利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。
1.比例(P)控制
比例控制是一種zui簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時(shí)系統輸出存在穩態(tài)誤差(Steady-state error)。
2.積分(I)控制
在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統,如果在進(jìn)入穩態(tài)后存在穩態(tài)誤差,則稱(chēng)這個(gè)控制系統是有穩態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(System with Steady-state Error)。為了消除穩態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時(shí)間的積分,隨著(zhù)時(shí)間的增加,積分項會(huì )增大。這樣,即便誤差很小,積分項也會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的增加而加大,它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩態(tài)誤差進(jìn)一步減小,直到等于零。因此,比例+積分(PI)控制器,可以使系統在進(jìn)入穩態(tài)后無(wú)穩態(tài)誤差。
3.微分(D)控制
在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統在克服誤差的調節過(guò)程中可能會(huì )出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節)或有滯后(delay)組件,具有抑制誤差的作用,其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,即在誤差接近零時(shí),抑制誤差的作用就應該是零。這就是說(shuō),在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的,比例項的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項”,它能預測誤差變化的趨
勢,這樣,具有比例+微分的控制器,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零,甚至為負值,從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象,比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。
4.PID控制器的參數整定
PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數整定的方法很多,概括起來(lái)有兩大類(lèi):一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學(xué)模型,經(jīng)過(guò)理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用,還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調整和修改。二是工程整定方法,它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗,直接在控制系統的試驗中進(jìn)行,且方法簡(jiǎn)單、易于掌握,在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法,主要有臨界比例法、反應曲線(xiàn)法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn),其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗,然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數,都需要在實(shí)際運行中進(jìn)行zui后調整與完善?,F在一般采用的是臨界比例法。
5.利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數的整定步驟如下:
(1)首先預選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統工作﹔
(2)僅加入比例控制環(huán)節,直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩,記下這時(shí)的比例放大系數和臨界振蕩周期﹔(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計算得到PID控制器的參數。
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