PID自整定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：本文主要內(nèi)容是PID自整定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，運(yùn)用PID自整定技術(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到新的平衡點(diǎn)。這樣可以有效地解決控制困難和控制精度不高等難題，能夠提高控制質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：PID自整定;實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)

1 緒論

1.1 課題研究的背景及意義

電動(dòng)機(jī)的發(fā)展在工業(yè)生產(chǎn)方面最能展現(xiàn)其優(yōu)越性，在節(jié)省大量的勞動(dòng)力的同時(shí)，又可以很大程度地提升生產(chǎn)力，是現(xiàn)代生活中不可缺少的替代品。對(duì)電動(dòng)機(jī)的精準(zhǔn)控制不僅能優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，還能體現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。目前我國(guó)的電動(dòng)機(jī)雖然種類繁多，但都沒(méi)有得到很好運(yùn)用和發(fā)展，在很多情況下都是大材小用，因此需要我們研究和推廣高效電動(dòng)機(jī)。采用PID自整定控制的電動(dòng)機(jī)可以解決資源浪費(fèi)現(xiàn)象，真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代生產(chǎn)理念。在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中，用PID控制的電動(dòng)機(jī)成為最受歡迎的控制器，它快速的整定效果已達(dá)到高精度控制，但電動(dòng)機(jī)面臨的巨大難題是其參數(shù)難以控制，阻礙了其發(fā)展。

傳統(tǒng)的PID算法參數(shù)的調(diào)節(jié)時(shí)間非常長(zhǎng)，即使有經(jīng)驗(yàn)的工程師也得需要很長(zhǎng)的控制時(shí)間，難以滿足在生產(chǎn)中的需要，浪費(fèi)人力物力。有些整定方法有相對(duì)較好的控制效果，但必須要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的控制時(shí)間，而整定時(shí)間短的則達(dá)不到理想的控制效果，所以在以后的發(fā)展方向上主要是在提高控制效果，縮短控制時(shí)間。到現(xiàn)在為止，越來(lái)越多的PID整定方法被開(kāi)發(fā)出來(lái)，以滿足不同的需求，根據(jù)環(huán)境的不同，選擇合適的整定方法至關(guān)重要。如何選用較為簡(jiǎn)單快捷的算法，在生產(chǎn)生活中具有重要意義。

1.2 PID自整定的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1922年米羅斯基提出PID的概念，根據(jù)位置控制系統(tǒng)，總結(jié)出了控制規(guī)律公式。20世紀(jì)30年代，由于技術(shù)原因并未得到推廣。10年之后，自動(dòng)調(diào)節(jié)器才被研發(fā)出來(lái)，當(dāng)時(shí)人們的認(rèn)知水平和購(gòu)買能力有限而沒(méi)有被推廣。1942年以后，PID控制器在參數(shù)的調(diào)整方面取得了很大的進(jìn)步，各式各樣的控制方法被人們所推廣，出現(xiàn)了諸如最優(yōu)PID控制、預(yù)估PID控制、自適應(yīng)PID控制等高級(jí)PID控制策略。由于PID控制器使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，才使其快速發(fā)展，被越來(lái)越多的人使用。

目前電動(dòng)機(jī)的發(fā)展比較迅速，對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制方面有很大空間的提升。在國(guó)內(nèi)，PID控制器的研究還處于剛剛起步的狀態(tài)，其控制器實(shí)際運(yùn)用還是比較少的，同時(shí)研發(fā)和銷售PID控制器的商家也比較少，國(guó)外的PID參數(shù)整定技術(shù)的研究起步比較早，相對(duì)國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)技術(shù)已經(jīng)比較成熟。自PID控制理論的提出到現(xiàn)在已有100多年的歷史，PID控制器也得到了飛速發(fā)展，目前市場(chǎng)上的PID控制器種類繁多，價(jià)格也隨著控制效果的不同大有差異。

傳統(tǒng)PID控制器主要是根據(jù)偏差來(lái)控制參數(shù)，如果輸入值突變，則很容易產(chǎn)生超調(diào)，損壞PID調(diào)節(jié)器。另外PID參數(shù)必須是在動(dòng)態(tài)特性下完成的，如果在控制過(guò)程中負(fù)載突然變化，這是必須重新整定。

1.3 電動(dòng)機(jī)的PID自整定的控制特點(diǎn)

電動(dòng)機(jī)的PID自整定也包括開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)一般指在控制電路中瞬間完成，不需要對(duì)其結(jié)果分析。而閉環(huán)控制系統(tǒng)可以將結(jié)果反饋與設(shè)定值做對(duì)比，并根據(jù)其偏差的大小調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)整定的效果。

用PID自整定控制的電動(dòng)機(jī)在創(chuàng)新上有以下特點(diǎn)：

（1）通過(guò)改進(jìn)后的電動(dòng)機(jī)控制具有轉(zhuǎn)速設(shè)置和顯示功能，這種設(shè)計(jì)方法可以不用有人在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控就可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。還具有遠(yuǎn)距離傳輸控制，手動(dòng)修改參數(shù)的功能，較以前的功能比較有了很大程度的提升。

（2）過(guò)去控制器的參數(shù)比較簡(jiǎn)單，控制效果也不能滿足所需要的要求，參數(shù)優(yōu)化的改進(jìn)方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上現(xiàn)實(shí)的需要。改進(jìn)后的PID參數(shù)自整定控制，具有參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整功能，調(diào)節(jié)的效果要比過(guò)去的控制好得多。

2 電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型及PID自整定算法

2.1 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法

電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法是利用PID控制輸出PWM高電平的輸出時(shí)間，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比改變電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

電動(dòng)機(jī)的速度VD=VMAX×D，其中D為占空比，VMAX是電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，所以，根據(jù)上式中改變D的大小就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

PWM脈沖與電壓的關(guān)系如圖1所示。

2.2 PID自整定算法

所謂的PID控制算法，是由比例環(huán)節(jié)P、積分環(huán)節(jié)I和微分環(huán)節(jié)D組成。主要應(yīng)用在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，將輸出值與設(shè)定值之間的偏差通過(guò)線性關(guān)系構(gòu)成的控制量，對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，具有反饋功能的電路才能實(shí)現(xiàn)被控變量的實(shí)時(shí)控制。

PID控制系統(tǒng)是由輸入、PID控制器、被控對(duì)象和輸出等四部分組成。

PID控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示。

其輸入e（t）與輸出u（t）關(guān)系為：

PID控制器的傳遞函數(shù)公式為：

PID控制思想被應(yīng)用在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，可以更精確地調(diào)整參數(shù)，以達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。調(diào)節(jié)器的輸出與輸入之間的關(guān)系為：

式中：Kc表示比例系數(shù);Ti是積分時(shí)間常數(shù);Td是微分時(shí)間常數(shù);T為采樣周期;e（kT-T）為第（K-1）次采樣的輸入偏差值;K是采樣序號(hào)，取值范圍是0、1、2、3……

2.3 電動(dòng)機(jī)的PID自整定算法

2.3.1 位置式PID控制

位置式PID控制方框圖如圖3所示。

位置式PID控制器的輸出如下式所示：

上式中：U（k）控制器的輸出;e（k）控制器的輸入;Kp比例放大系數(shù);Ti積分時(shí)間常數(shù);Td微分時(shí)間常數(shù)。

位置式PID控制器中單時(shí)刻輸出獨(dú)立性的，e（k）需要累加和儲(chǔ)存，這樣就加大了計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，增加負(fù)載。

2.3.2 增量式PID控制

與位置式PID算法相比，增量式PID算法要保存前三次取樣的數(shù)值誤差，根據(jù)誤差反饋進(jìn)行整定，計(jì)算量小，因此得到了廣泛的使用。其輸出為：

經(jīng)式（5）和式（6）整理得：

上式中：Kp比例放大系數(shù);Ti積分時(shí)間常數(shù);Td微分時(shí)間常數(shù)。

增量式PID控制的計(jì)算量要比位置式PID控制小得多，在實(shí)際應(yīng)用中也比較常見(jiàn)。

2.4 PID控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響

PID控制器參數(shù)的取值決定了PID控制器的質(zhì)量，其中動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能起著決定性的作用，PID的整定方法主要是比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)的共同整定的結(jié)果，下面是比例、積分、微分的作用。

（1）比例作用：比例系數(shù)是用來(lái)調(diào)節(jié)速度的，系數(shù)越大，調(diào)節(jié)幅度就越大，偏差減小的趨勢(shì)更快，這樣的后果是容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。選擇合適大小的比例系數(shù)在整定過(guò)程中至關(guān)重要。

比例調(diào)節(jié)的特性曲線如圖4所示。

（2）積分作用：主要是用來(lái)消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，只要有穩(wěn)態(tài)誤差的存在，積分作用就必須運(yùn)行，直至系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)誤差為零。由于很難消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，所以積分作用會(huì)影響控制效果，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。

積分調(diào)節(jié)的特性曲線如圖5所示。

（3）微分作用：微分主要抑制偏差的產(chǎn)生，當(dāng)設(shè)定好輸入值時(shí)，微分作用開(kāi)始工作，將輸出值的大小整定到輸入值，這就將偏差的大小降低，微分作用還有超前的抑制作用，它能提前預(yù)知偏差的走勢(shì)，在偏差還沒(méi)生成之前就抑制其產(chǎn)生，可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，不會(huì)造成參數(shù)突變帶來(lái)的影響。但是微分作用也有其弱點(diǎn)，它也能放大噪聲干擾，如果微分作用很強(qiáng)的話，就容易將系統(tǒng)中的噪聲放大，降低系統(tǒng)抗干擾能力。

比例積分微分調(diào)節(jié)特性曲線如圖6所示。

2.5 本章小結(jié)

本章主要針對(duì)位置式PID控制算法與增量量式PID算法在算法公式上做比較，控制原理上沒(méi)有什么區(qū)別，但在整定過(guò)程中增量式PID算法有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）位置式PID算法輸出需要聯(lián)系整個(gè)過(guò)去的狀態(tài)，在計(jì)算過(guò)程中要用到過(guò)去誤差的累加值，就會(huì)有增量誤差產(chǎn)生，影響控制精度。增量式PID要保留前三次取樣的差值，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的處理之后，才能達(dá)到較好的控制效果。

（2）位置式PID算法從手動(dòng)切換到自動(dòng)時(shí)，要將計(jì)算機(jī)的輸出值置為原始閥門開(kāi)度，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和無(wú)沖擊切換。增量式PID算法與位置式PID算法不同，其輸出與原始值無(wú)關(guān)，在手動(dòng)切換到自動(dòng)時(shí)，不會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)位置式PID與增量式PID算法的對(duì)比，可以看出，增量式PID算法比位置式PID算法更有優(yōu)勢(shì)，所以本文在參數(shù)整定方面選用增量式PID參數(shù)整定方法。

3 總結(jié)與展望

本課題主要研究的是運(yùn)用PID參數(shù)整定的方法，就現(xiàn)在發(fā)展現(xiàn)狀而言，PID發(fā)展的方向是在參數(shù)整定方面，合理地運(yùn)用比例、積分、微分調(diào)節(jié)，尋找其中間點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的快速整定和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

近幾年來(lái)，科學(xué)技術(shù)在不斷更新，如今的控制方式也由人工控制到微機(jī)控制的轉(zhuǎn)變。PID調(diào)節(jié)在未來(lái)的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，例如，棒材軋制生產(chǎn)線中活套高度的PID控制，活套高度作為控制目標(biāo)，采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際活套高度進(jìn)行比較后，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器輸出值疊加到運(yùn)行的實(shí)際轉(zhuǎn)速上，自動(dòng)調(diào)節(jié)上游機(jī)架級(jí)聯(lián)給定速度，以提高軋制生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂文琪.自動(dòng)門智能控制算法及其可靠性研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2015：13-14.

[2]楊帆.具有pid自整定功能的溫度控制器研究與實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2006：7-9.

[3]郭唐仕，尹華杰.Buck變換器的數(shù)字模糊PID控制[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2002，（1）：23-25.

作者簡(jiǎn)介：陳金寶（1994— ），男，漢族，寧夏吳忠人，本科，研究方向：連軋棒材調(diào)速控制系統(tǒng)。