PID控制算法笔记整理1:PID算法通俗易懂的理解方式

P:比例系数

I:积分系数

D:微分系数

 

1..比例系数P是干什么用,其实如果现在你是初中生的话,你一下子就懂了,比例系数就是用在穿过(0,0)这个坐标点直线的放大倍数k,k越大,直线的斜率越大,所以是用在y = k * x中的,其中的k就是比例系数p,大家都简称为kp,所以就变成了y = Kp * x。

 

x就是当前值currentValue和目标值totalValue的差值,简称误差err,则err = currentValue - totalValue。y就是执行器对应的输出值U,所以执行器对应的输出值U = Kp * ( currentValue - totalValue ) 。

 

所以,如果说是使用比例进行调节。

则当前第1次调节时执行器对应的输出值为U1 = Kp * ( curentValue1 - totalValue1 )。

第2次调节时执行器对应的输出值为U2 = Kp * ( currentValue2 - totalValue2 )。

 

这就是比例系数P的应用,也就是大家说的比例调节。比例调节就是根据当前的值与目标值的差值,乘以了一个Kp的系数,来得到一个输出值,这输出值直接影响了下次当前值的变化。如果只有比例调节的话,系统会震荡的比较厉害。比如你的汽车现在运行的速度是60km/h,现在你想通过你的执行器去控制这个汽车达到恒定的50km/h,如果你只用kp进行比例调节话。U = Kp * ( 60 - 50 ),假设Kp取值为1,此时得到U执行器的输出值是10,结果当你执行器输出后,发现汽车一下变成了35Km/h,此时U2 = Kp * (35 - 50),此时得到U执行器的输出值是-15,结果当你执行器输出后,发现汽车变成了55Km/h,由于惯性和不可预知的误差因素,你的汽车始终无法达到恒定的50km/h。始终在晃动,相信如果你在车上,你一定吐的很厉害。所以光有比例系数进行调节,在有些场合是没有办法将系统调稳定的。所以可以为了减缓震荡的厉害,则会结合使用比例P和微分D。

 

 

2.微分系数D

微分,实际上是对误差进行微分。假入误差1是err(1)。误差2是err(2)。则误差err的微分是 (err2 - err1)。乘上微分系数D,大家叫做KD,则当执行器第1次调节后有了第1次的误差,第2次调节后有了第2次的误差,则结合P系数。就有了PD结合,根据每次调节时,误差的值的经验推算,你就能选取出D的系数。假如误差是越来越小的,那么微分后肯定是一个负值。负值在乘以了一个D系数 加上了比例调节的值后肯定值要比单纯使用比例调节的值要小,所以就启到了阻尼的作用。有了阻尼的作用就会使得系统区域稳定。PD结合的公式经过上面的分析后为

U(t) = Kp * err(t) + Kd * derr(t)/dt

 

3.积分系数I

积分,实际上是对误差的积分,也就是误差的无限和。如何理解积分系数I,这里引用网上的例子

以热水为例。假如有个人把我们的加热装置带到了非常冷的地方,开始烧水了。需要烧到50℃。

在P的作用下,水温慢慢升高。直到升高到45℃时,他发现了一个不好的事情:天气太冷,水散热的速度,和P控制的加热的速度相等了。 

这可怎么办?

P兄这样想:我和目标已经很近了,只需要轻轻加热就可以了。 

D兄这样想:加热和散热相等,温度没有波动,我好像不用调整什么。

于是,水温永远地停留在45℃,永远到不了50℃。

作为一个人,根据常识,我们知道,应该进一步增加加热的功率。可是增加多少该如何计算呢? 

前辈科学家们想到的方法是真的巧妙。

设置一个积分量。只要偏差存在,就不断地对偏差进行积分(累加),并反应在调节力度上。

这样一来,即使45℃和50℃相差不太大,但是随着时间的推移,只要没达到目标温度,这个积分量就不断增加。系统就会慢慢意识到:还没有到达目标温度,该增加功率啦! 

到了目标温度后,假设温度没有波动,积分值就不会再变动。这时,加热功率仍然等于散热功率。但是,温度是稳稳的50℃。 

kI的值越大,积分时乘的系数就越大,积分效果越明显。

所以,I的作用就是,减小静态情况下的误差,让受控物理量尽可能接近目标值。

I在使用时还有个问题:需要设定积分限制。防止在刚开始加热时,就把积分量积得太大,难以控制。

 

 

 

 

 

 

有一种控制算法PID调节规律更有效、更方便的了。现在一些时髦点的调节器基本源自 PID。甚至可以这样说:PID 调节器是其它控制调节算法的吗。为什么 PID应用如此广泛、又长久不衰? 因为 PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题,既系统的稳定性、快速性和准确性。调节 PID的参数,可实现在系统稳定的前提下,兼顾系统的带载能力和抗扰能力,同时,在PID 调节器中引入积分项,系统增加了一个零积点,使之成为一阶或一阶以上的系统,这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。   由于自动控制系统被控对象的千差万别,PID的参数也必须随之变化,以满足系统的性能要求。这就给使用者带来相当的麻烦,特别是对初学者,我们开发仿真软件,用理论和实践结合的方法,目的是帮助大家快速掌握PID 在工程中的应用。下面简单熟悉一下调试 PID参数的一般 步骤: 1.负反馈 自动控制理论也被称为负反馈控制理论。首先检查系统接线,确定系统的反馈为负反馈。例如电机调速系统,输入信号为正,要求电机正转时,反馈信号也为正(PID算法时,误差=输入-反馈),同时电机转速越高,反馈信号越大。其余系统同此方法。 2.PID调试一般原则 a.在输出不振荡时,增大比例增益Kc。 b.在输出不振荡时,减小积分时间常数Ti。 c.在输出不振荡时,增大微分时间常数Td。 3.一般步骤 A.确定比例增益 Kc确定比例增益Kc时,首先去掉PID的积分项和微分项,一般是令Ti=0、Td=0(具体见PID的参数设定说明),使 PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%-70%,由0逐渐加大比例增益Kc,直至系统出现振荡;再反过来,从此时的比例增益P逐渐减小,直至系统振荡消失,记录此时的比例增益Kc,设定PID的比例增益Kc为当前值的60%-70%。比例增益Kc调试完成。 b.确定积分时间常数Ti 比例增益P确定后,设定一个较大的积分时间常数Ti的初值,然后逐渐减小Ti,直至系统出现振荡,之后在反过来,逐渐加大Ti,直至系统振荡消失。记录此时的Ti,设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%-180%,积分时间常数 Ti调试完成。 c.确定微分时间常数Td 微分时间常数Td一般不用设定,为0即可。若要设定,与确定Kc和Ti的方法相同, 取不振荡时的30%。 d.系统空载、带载联调,再对PID参数进行微调,直至满足要求。 为了使广大的工程人员(实际操作人员)更加会和掌握PID的概念, 我们在工程中配备有如上图模拟仿真学习软件。 牢记以下PID常用16句口诀: 参数整定找最佳,从小到大顺序查 先是比例后积分,最后再把微分加 曲线振荡很频繁,比例增益要减小 曲线漂浮绕大湾,比例增益要增大 曲线偏离回复慢,积分时间往下降 曲线波动周期长,积分时间再加长 曲线振荡频率快,先把微分降下来 动差大来波动慢, 微分时间应加长
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