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温控器pid控制原理通俗解说(自动控制之PID原理)

发表于2023/1/28 / 1次浏览

 自动控制原理


从控制的方式来看,自动控制系统有闭环和开环两种。


闭环控制:


闭环控制即(负)反馈控制,原理与人或动物的目标行为相似,相当于传感器(相当于感觉)、控制装置(相当于大脑或神经)、执行器)、手脚或肌肉)的系统传感器检测被控制对象的状态信息(输出量),将其转换为物理(电)信号传递给控制装置。 控制装置比较被控制对象当前状态(输出量)相对于期望状态)的偏差,通过致动器使被控制对象运动,产生使该运动状态接近期望状态的控制信号. 事实上,闭环(反馈)控制的方法多种多样,应用于各个领域和各个方面,目前得到广泛应用和快速发展的是基于控制、自适应控制、专家控制(即专家知识库)建立控制规则和步骤


开环控制:


开环控制也称为程序控制,它根据预定的程序,依次发送信号来控制对象。 根据信号发生的条件,开环控制有时限控制、顺序控制、条件控制。 20世纪80年代以来,采用微电子技术生产的可编程控制器在工业控制(电梯、多级机床、自来水厂)中得到了广泛的应用。 当然,一些复杂的系统和过程往往将多种控制类型和多种控制程序集成使用。


在实际情况中,大多数使用闭环控制。 闭环控制是反馈调节的一部分,它允许实时监测系统的状态。 如果当前系统状态未达到预设状态,将根据偏差进行调整,直到达到预设状态。


PID控制器原理


PID控制算法作为闭环控制算法的基础,在工程实际中得到了广泛的应用。 PID控制器问世已有近70年的历史,其结构简单、稳定性好、工作可靠、调试方便,已成为工业控制的主要技术之一。 如果不完全了解一个系统和被控对象,或者无法通过的测量手段获得系统参数,则PID控制技术合适。 在单回路控制系统中,由于干扰作用,被控制参数偏离规定值,产生偏差。 自动控制系统的调节单元对来自变送器的测量值与规定值进行比较后产生的偏差进行比例、微分、积分运算,输出统一标准信号控制执行器的动作。 PID控制器根据系统误差,通过比例、积分、微分计算控制量进行控制。 PID控制算法的核心是比例、积分(I )、微分(d )。


比例(P)控制 :


比例控制是便捷的控制方式。 比例反应体系的偏差,体系发生偏差时,比例调节立即产生调节作用,减少偏差。 比例大,可以很快调节,减少误差,但比例过大,会降低系统稳定性,导致系统不稳定。 但是,只有比例控制时,系统输出存在稳态误差。


积分(I)控制 :


积分控制中,控制的输出与输入误差信号的积分成比例关系。 项对误差依赖于时间的积分,随着时间的延长,积分项变大。 这样,即使误差小,积分项也随着时间的经过而变大,使控制的输出加大,使稳定误差进一步减小到零。 积分作用的输出随时间逐渐加大,导致调节动作变慢,来不及调节,系统稳定裕度降低。 因此,积分作用不是单独的,而是与比例作用组合构成PI调节器,用于在控制系统中减小稳态误差。


微分(D)控制 :


在微分控制中,控制的输出与输入误差信号的微分,即误差的变化率成比例关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能发生振动和失稳,其原因是存在较大的惯性部件(环节)和滞后(滞后)部件,具有控制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。 解决方法是“推进”控制误差作用的变化。 也就是说,当误差接近零时,控制误差的作用应该为零。 微分项可以预测误差变化的趋势,这样具有比例微分的控制,控制误差的控制作用可以事先为零或负值,可以避免被控制量的大幅过冲。 因此,对于具有大惯性或滞后的被控对象,比例微分(PD 可以调节系统的中动态特性。 比例p只与偏差成比例,积分作用I是偏差对时间的积累,微分作用d是偏差的变化率。 在自动调节系统中,干扰发生后微分d立即起作用,p随偏差的、加大而变得明显。 两者首先起着克服偏差的作用,使被控制量稳定在新的值上。 这个新的稳定值和设定值的差称为残差,但是I随着时间增加而增加,直到克服残差,将被控制量恢复到设定值为止逐渐变强。


常用的有位置式算法和增量算法两种PID控制算法。 增量算法是指相邻两次运算相对于标准算法的差,根据具体应用适当选择使用哪一种算法,直接计算法可以得到当前所需的控制量,相邻两次控制量的差与增量算法


1 .标准位置公式计算公式:


pout(t )=Kpe(t ) t ) ki ) e ) KD * (e ) t )-e(t-1 );


2 .增量法计算公式:


PDLT=pout(t )-pout ) t-1; 即,PDLT=KP*(e(t )-e (t-1 ) ) kie (t ) KD (e ) t-1 ) e (t-2 ) );


PID控制器的参数整定:


PID控制器参数整定是控制系统设计的核心内容。 PID控制器的参数整定方法很多,特此总结


有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还可以通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行调整与完善。


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