浅析PID控制

时间:14-04-12 栏目:电子技术 作者:JH单片机 评论:1 点击: 183,595 次


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浅谈PID控制,不作深入研究PID控制原理的是因为避免引来拍砖,或误导菜鸟。毕竟阿浩在PID控制这方面也是初学,初次把握住要脉。当然,浅谈还有个意思就是浅显的把个中原理大概的说出来,好理解些。果真深入研究,那就是一门大学问了。而如果说阿浩仔细去研究过,你信吗?

每篇博文开头,无奈牢骚几句。最近,阿浩为面试找工作舟车劳顿,让我有气无力写了这篇文章。(前阵子仔细看了PID控制的书,特意跑书城埋了一天。)

PID控制

关于PID控制,PID(比例(proportion)、积分(integration)、微分(differentiation)),也就是比例、积分、微分。相信看到微积分这个关键字,多少都有些生畏,或者悔恨高等数学没学好,因为大家不是被大物,就是被高数整挂的。

下面,一段话是我面试的时候说的:

“PID控制啊...比例、积分、微分。通过这三个参数实现系统动态调整控制。呃...(阿浩略微思考整理语言)有两种控制反馈开环控制和闭环控制。根据整定这三个参数来让系统调节自适应,自动控制输出量。其中涉及参数整定,以及系统失调、超调之间的关系。对于参数整定有模型分析和根据工程经验整定两种方法,一般采用根据工程经验整定。大概就这样”

以上一段话,仅作为理解的参考。涉水不深,难以用高级语言去表达这个PID控制的内容。

PID控制器原理较为浅显,即比例控制单元,积分控制单元,微分控制单元,而难就在于PID控制器的参数整定。简而言之,原理简单,选定参数有些难度。

PID关系

输入量e(t)和u(t)关系为G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]
kp为比例系数; TI为积分时间常数; TD为微分时间常数

PID控制实例应用

阿浩写这篇文章,通过一个非常简单的例子(跟随小车)来说明PID参数整定,当然这仅仅是PID控制的小应用。
鉴于之前阿浩做的一辆智能小车,其中就有开发了一个小车跟随物体的功能。

a.小车跟随原理

利用小车上的超声波传感器测量出与前方物体的距离,小车根据目前的距离与设定的距离进行比较,决定前进或者后退。

小车与前方物体距离过近时,需要后退;距离变大,则需要前行。这样就实现小车跟随物体的功能。

b.小车跟随系统动态问题

假设我们只取距离的偏差作为调整小车速度的一个参数,那么会让系统超调。让小车在临界值上来回不定的运动。(这其中关系就是超声波传感器和车速之间的响应问题)
这就是我们需要引入PID控制的原因。

c.PID控制原理

当超声波模块测量与物体之间的距离后,根据目标距离获得距离偏差,再将距离偏差通过比例、积分、微分变换后,将这些控制量相加得到最终的控制参数,根据这个参数再调节小车的速度,来达到控制的目的。

d.PID参数整定

这一步就是PID的关键,成败在于此。上面说了PID控制原理不难,难在于这个步骤。

PID应用与数字系统当中,通常选择较为简单的方法来整定参数。

积分
其中积分变换就可以处理成对偏差的累积和

微分
而微分变换则可以简单处理成当前偏差与前一次偏差的差值。

假设PID的三个控制参数为Kp,Ki和Kd,当前偏差值e(n)=(L-D) 其中L为小车测量的距离,D为设定的目标距离。

那么根据上面整理得到控制量输出公式O(n)

总的来说,不会很困难。总结一下整定方法

1.第一步先整定比例部分,将比例参数由小变大,观察系统的响应,直到系统反应快、超调小的响应曲线。如果这种调节没有静差或者静差很小,在允许的范围内。则这个系统只需要比例调节即可。

2.如果在比例调节的基础上,系统的静差不能满足要求,则必须加入积分控制环节。在镇定时先将积分参数设定到一个比较大的值,缩小比例参数,减小积分参数,让系统保持动态性能,消除静差。

3.又如果以上两个环节不能得到满意的效果,引入微分控制环节,先把微分参数设置为0,在上述基础上,逐渐增加微分参数,逐步调试得到满意效果。

个中调试参数的效果,都会根据硬件系统的动态响应有关系。在非线性系统上,PID三个参数的整定大都依靠以上方法来整定,整定的最终效果也会根据整定经验的不同而出现不同。
即便如此折腾,而阿浩认为,最终的目的就是得到一个良好的控制效果。

没有题外话,也没有结束语。
只想表达一下码字的累,但乐在其中。
本文完。谢谢阅读

 
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