PID控制超详细教程(含软硬件上位机，很好）

【实例简介】
PID控制超详细教程(含软硬件上位机，很好）
SUNPLUS 调节控制做电机速度控制 月录 页 模拟控制 模拟控制原理 数字控制 位置式算法 增量式算法 控制器参数整定 凑试法 临界比例法 经验法 采样周期的选择 参数调整规则的探索 自校正控制器 软件说明 软件说明 档案构成 界面 子程序说明 程序范例 程序 程序流程与说明 中断子流稈与说明 使用资源 硬件使用资源说明 实验测试 响应曲线 参考文献 SUNPLUS 调节控制做电机速度控制 修订记录 日期版本编写及修订者 编写及修订说明 初版 错误校正 SUNPLUS 调节控制做电机速度控制 模拟控制 将偏差的比例( )、积分( )和微分( )通过线性组合构成控制量 用这一控制量对被控对象进行控制,这样的控制器称控制器、 模拟控制原理 在模拟控制系统中,控制器最常用的控制规律是控制。为了说明控制器的工作原理,先看 个例子。如图—所示是一个小功率直流电机的调速原理图。给定速度与实际转速进行比 较,其差值 ,经过控制器调整后输出电压控制信号 经过功 率放大后,驱动直流电动机改变其转速。 + 控器 直流电机 图 小功率直流电机调速系统 常规的模拟控制系统原理框图如图—所示。该系统由模拟控制器和被控对象组成。 图中 是给定值 是系统的实际输岀值,给定值与实际输出值构成控制偏差 式-) 作为控制的输入,作为控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟控制器的 控制规律为 式 其中: 控制器的比例系数 搾制器的积分时间,也称积分系数 控訇器的微分时间,也称微分系数 比例 积分 被控对象 微分 图—模拟控制系统原理图 比例部分 SUNPLUS 调节控制做电机速度控制 比例部分的数学式表示是: 在模拟控制器中,比例环节的作用是对偏差瞬闩作岀反应。偏差一旦产生控制器立即产生 控制作用,使控制量向减少偏差的方冋变化。控制作用的强弱取决于比例系数,比例系数越 大,控制作用越强,则过渡过程越快,控制过程的静态偏差也就越小;但是越大,也越容易产生 振荡,破坏系统的稳定性。故而,比例系数选择必须恰当,才能过渡时间少,静差小而又稳定的 效果。 、积分部分 积分部分的数学式表小是 从积分部分的数学表达式可以知道,只要存在偏差,则它的控制作用就不断的增加;只有在偏 差 时,它的积分才能是一个常数,控制作用才是一个不会增加的常数。可见,积分部分可以 消除系统的偏差 积分环节的调节作用虽然会消除静态误差,但也会降低系统的响应速度,增加系统的超调量。 积分常数越大,积分的积累作用越弱,这时系统在过渡时不会产生振荡;但是增大积分常数会 诚慢静态误差的消除过程,消除偏差所需的时间也较长,但可以减少超调量,提髙系统的稳定性. 当较小时,则积分的作用较强,这时系统过渡时间中有可能产生振荡,不过消陰偏差所需的时间 较短。所以必须根据实际控制的只体要求来确定。 、微分部分 微分部分的数学式表示是 实际的控制系统除了希望消除静态误差外,还要求加快调节过程。在偏差岀现的瞬间,或在偏 差变化的瞬间,不但要对偏差量做岀立即响应(比例环节的作用),而∏要根据偏差的变化趋势预先 给岀适当的纠正。为了实现这一作用,可在控制器的基础上加入微分环节,形成控制器。 微分环节的作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势(变化速度)进行控制。偏差变 化的越快,微分控制器的输出就越大,并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入,将有助 于减小超调量,克服振荡,使系统趋于穩定,特別对髙阶系统非常有利,它加快了系统的跟踪速度 但微分的作用对输入信号的噪声很敏感,对那些噪声较人的系统一般不用微分,或在微分起作用之 前先对输入信号进行滤波。 微分部分的作用由微分时间常薮决定。越大时,则它抑制偏差变化的作用越强 棫小时,则它反抗偏差变化的作用越弱。微分部分显然对系统稳定有很大的作用。 适当地选择微分常数,可以使微分作用达到最优 由于计算机的出现,讣算机进入了控制领或。人们将模拟控制规律引入到计算机中来。对 (式—)的控制规律进行适当的变換,就可以用软件实现控制,即数字搾制。 SUNPLUS 调节控制做电机速度控制 数字控制 数字式控制算法可以分为位置式和增量式控制算法。 位置式算法 由于计算杋控制是一种采样控制,它只能根据样时矧的偏差计算控制量,而不能像模拟控制 那样连续输岀控制量量,进行连续控制。由于这·特点(式)中的积分项和黴分项不能直接使 用,必须进行离散化处理。离散化处理的方法为:以作为采样周期,作为采样序号,则离散采 样时间对应着连续时间,用矩形法数值积分近似代替积分,用一阶后向差分近似代膂微分,可 作如下近似变换: ≈1T 〔k=0,1,2. e()h(门-T ag(),()-以(k-1)7]8-1 di (式 上式中,为了衣示的方便,将类似于简化成等。 将(式-)代入(式一),就可以得到离散的表达式为 (式一) 或 +( 式 其 米样序号,一,, 第次釆样时刻的计算机输出值: 第次采样时刻输入的偏差值 第—次采样时刻输入的偏差值: 积分系数, 微分系数, 如果采样周期足够小,则〔式—)或(式—)的近似计算可以获得足够精确的结果,离 散控制过程与连续过程十分接近。 (式—)或(式一)表示的控制算法式直接按(式一)所给出的控制规律定义进 行计算的,所以它给出了全部控制量的大小,因此被称为全量式或位置式控制算法 这种算法的缺点是:由于全量输出,所以每次输出均与过去状态有关,计算时要对进行累加, SUNPLUS 调节控制做电机速度控制 工作量人;并且,因为计算杋输岀的对应的是执行机构的实际位置,如果计算机岀现故障,输岀 的将大幅度变化,会引起执行机构的大幅度变化,有可能因此造成严重的生产事枚,这在实生产 际中是不允许的。 増量式探制算法可以避免着重现象发生。 增量式算法 所谓增量式是指数宇控制器的输岀只是控制量的增量Δ。当执行机构需要的控制量是增 量,而不是位置量的绝对数佶时,可以使用增量式控制算法进行控制。 增量式控制算法可以通过(式一)推导出。由(式一)可以得到控制器的第 个采样时刻的输出值为 +∑+ 式 将(式一)与(式一)相减并整理,就可以得到增量式控制算法公式为 △ (式 其中 由(式—)可以看出,如果计算机控制系统采用恒定的采样周期 日确定 只要使用前后三次测量的偏差值,就可以由(式—)求出控制量。 增量式控制算法与位置式算法(式一)相比,计算量小的多,因此在实际中得到 广泛的应用 而位置式搾制算法也可以通过增量式控制算法推岀递推计算公式: △ 式 (式—)就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推控制算法 控制器参数整定 搾制器参数整定:指决定调节器的比例系数、积分时间、微分时间和采样周期的 SUNPLUS 调节控制做电机速度控制 具体数值。整定的实质是通过改变调节器的参数,使其特性和过程特性相匹配,以改善系统的动态 和静态指标,取得最佳的控制效果。 整定调节器参数的方法很多,归纳起来可分为两大类,即理论计算整定法和工程整定法。理论 计算整定法有对数频率特性法和根轨迹法等;工程整定法冇凑试法、临界比例法、经验法、衰减曲 线法和响应曲线法等。工程整定法特点不需要事先知道过程的数学模型,直接在过程控制系统中进 行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握 凑试法 按照先比例()、再积分()、最后微分()的顺序。 置调节器积分时间∞,微分时间 在比例系数按经验设置的初值条件下,将系统 投入运行,由小到大整定比例系数求得满意的衰减度过渡过程曲线 引入积分作用(此时应将上述比例系数设置为 )。将由大到小进行整定 若需引入微分作用时,则将按经验值或按(~)设置,并由小到人加入 临界比例法 在闭坯控制系统甲,将调节器置纯比例作用卜,从小到大逐渐改变调节器的比例系教,得到 竿幅振荡的过渡过程。此时的比例系数称为临界比例系数相邻两个波峰间的时间间隔,称为临 界振荡周期二 界比例度法步骤: 将调节器的积分时间置于最大(∞),微分时间置零 ),比例系数适当, 平衡操作一段时问,把系统投入自动运行 、将比例系数逐渐增大,得到等幅振荡过程,记卜临界比例系数和临界振蕩周期值 根据和值,采用经验公式,计算出调节器各个参数,即、和的值。 按先再最后的操作程序将调节器整定参数调到计算值上。若还不够满意,可再作进 步调整。 临界比例度法整定注意事项: 有的过程控制系统,临界比例系数很大,使系统接近两式控制,调节阀不是全关就是全开,对 工业生产不利 有的过程控制系统,当调节器比例系数调到最大刻度值时,系统仍不产生等幅振荡,对此, 就把最大刻度的比例度作为临界比例度进行调节器参数整定 经验法 用凑试汯确定参数需要经过多次反复的实验,为了减少凑试次数,提高工作效率,可以借 鉴他人的经验,并根据‘定的要求,事先作少量的实验,以得到若「基准参数,然后按照经验公式 用这些基准参数导出控制参数,这就是经验法。 临界比例法就是一种经验法。这种方法首先将控制器选为纯比例控制器,并形成闭环,改变比 例系数,使系统对阶跃输入的响应达到临界状态,这时记下比例系数、临界振荡周期为,根 SUNPLUS 调节控制做电机速度控制 据一提供的经验公式,就可以由这两个基准参数得到不同类型控制器的参数,如表一所示。 衣—临界比例法确定的模拟控制器参数 控制器类型 这种临界比例汯使针对模拟ˆ控制器,对于数字控制器,只要釆样周期取的较小,原则 上也同样使用。在电动机的控制中,可以先采用临界比例法,然后在采用临界比例法求得结果的基 础上,用凑试法进一步完善 表一的控制参数,实际上是按衰减度为时得到的。通常认为的衰减度能兼顾到稳定 性和快速性。如果要求更大的衰减,则必须用凑试法对参数作进一步的调整。 采样周期的选择 香农( )采样定律:为不失真地复现信号的变化,采样频率至少应大于或等于连续 信号最高频率分量的二倍。根据采样定律可以确定采样周期的上限值。实际采样周期的选择还要受 到多方面因素的影响,不同的系统采样周期应根据具体情况米选择。 采样周期的选择,通常按照过程特性与丨扰大小适当来选取采样周期:郾对于响应快、(如流 量、压力)波动大、易受干扰的过程,应选取较短的采样周期:反之,当过程响应慢(如温度、成 价)、滞后人时,可选取较长的采样周期 采样周期的选取应与参数的整定进行综合考虑,采样周期应远小于过程的扰动信号的周期, 在执行器的响应速度比较慢时,过小的采样周期将失去意义,因此可适当选大ˉ点;在计算机运算 速度允许的条件下,采样周期短,则控制品质好;当过程的纯滞后时间较长时,一般选取采样周期 为纯滞后时间的 参数调整规则的探索 人们通过对控制理论的认识和长期人工操作经验的总结,可知参数应依据以卜儿点来 适应系统的动态过程。 在偏差比较大时,为使尽快消除偏差,提高响应速度,冋时为了避免系统响应岀现超调, 取大值,取零;在偏差比较小时,为继续减小偏差,并防止超调过大、产生振荡、稳定性变坏, 值要减小,取小值;在偏差很小时,为消除静差,克服超调,使系统尽快稳定,值继续 减小,值不变或稍取大。 当偏差与偏差变化率同号时,被控量是朝偏离既定值方向变化。因此,当被控量接近定值 时,反号的比列作用阻碍积分作用,避免积分超调及随之而来的振荡,有利于控制;而当被控量远 未接近各定值并向定值变化时,则由于这两项反向,将会减慢控制过程。在偏差比较大时,偏差变 化率与偏差异号时,值取零或负值,以加快控制的动态过程。 偏差变化率的大小表明偏差变化的速率, 越大,取值越小,取值越大,反 之亦然。同时,要结合偏差大小来考虑 【实例截图】
【核心代码】