PID 控制器

PID 控制器将对闭环控制环中的误差信号进行处理并试图对被控量进行调节以获得期望的系统响应。被控参数可以是任何可测量的系统参量,如转速、转矩或磁通。PID 控制器的优点在于可根据经验对一个或多个增益值进行整定并观察系统响应变化情况来确定合理的增益参数。

数字PID 控制器的以周期性采样方式执行。假定控制器的执行频率足够高可以满足系统控制要求。误差信号通过将被控参数的期望设定值减去该参数的实际测量值来获得。误差的符号表明控制输入所要求的变化方向。
PID 控制器的比例(P)项由误差信号乘以P 增益形成,该项使PID 控制器产生的控制响应为误差幅值的函数(即比例关系)。当误差信号增大时,控制器的P 项也将变大以实现更大的校正效果。P 项的效果是随着时间变化趋向于使系统总误差减小。然而,当误差趋近于零时,P 项的效果将不明显。在大多数系统中,被控参数的误差将十分接近于零但并不收敛。因此仍存在小的静态误差。
PID 控制器的积分(I)项用来消除小的静态误差。I 项将对误差信号连续累计。因此,随着时间变化小的静态误差可累计为较大的误差值。将该累计误差信号与I 增益因子相乘即可获得PID 控制器的I 输出项。

PID 的微分(D)项用于改善控制器的速度并响应误差信号的变化率。D 项输入通过将前一误差值减去当前误差值来获得。两者的差值乘以D 增益因子便获得PID 控制器的D 输出项。系统误差变化越快,则控制器的D 项将产生的控制输出越大。

PID 增益整定
PID 控制器的P增益设定了整个系统的响应。当开始调节控制器时,应将ID 增益设置为零。随后,可增加P 增益直至系统对设定点变化响应良好,没有过大的超调或振荡发生。使用较小的P 增益值将使得系统响应较慢,而较大的P 增益值将使得系统响应较快。此时,可能无法使系统响应收敛到设定值。

在确定合适的P 增益之后,可缓慢增加I 增益值以使系统误差为零。在大多数系统中只需设置较小的I增益值。需要注意的是,如果I 增益取值过大,其效果可能抵消P 项的作用,即使得整体控制响应变慢并使系统在设定点附近振荡。如果发生振荡,减小I 增益并增大P 增益通常可以解决这一问题。

D 增益可加快系统响应。然而,在使用该增益时必须注意,该项可能产生较大的输出摆动,从而可能引起电机机械损坏。

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