PID调节以及波形图在工程中的实际应用.doc

海 得 工 控海 得 工 控PID调节以及波形图的实际应用目录1PID历史简介22PID基本理论33PID与波形图在工程中的应用实例51 PID历史简介自动调节，又称自动控制，如今已经涵盖了社会生活的方方面面。在工程控制领域，理所应当的属于应用最普遍的范畴。而PID技术作为过程控制的经典理论，在人们没有意识到他的作用时，其实已经被广泛使用了。在PID未形成理论之前，人们称这种系统为自动调速系统，最著名的例子为瓦特的蒸汽机转速调节系统。瓦特在发明了蒸汽机后，发现了很挠头的问题，就是不变的供气量会使他的机器因为外界负荷的变换而产生转速的忽高忽低，外界负荷大了同样的供气量机器的转速就得下降，外界负荷小了同样的供气量机器的转速就要上升。要保持无论外界负载怎么变化，转速都要保持恒定，就得不断地随着外界负载的变化而相应地改变供气量的大小，如果靠人工去控制气门显然非常紧张和吃力。于是瓦特就设计了下面这个这个装置 如图：外界负荷大时机器的转速下降由于离心力减小，由于重力的作用滑块下降。相应连接滑块的连杆就开大气门供气量，从而加大机器得输出功力进而机器的转速响应提高。外界负荷小了机器的转速上升飞铁由于离心力增大克服了自身重力就向外张开，滑块上行相应减少供气量，机器的转速就要下降了。这样就基本上完成了机器转速无论外界的负荷怎么变化都能保持了基本稳定。别小看这么一个简单的设计，他开创了现代工业自动控制的先河，因为这个貌似简单的装置基本具备了控制论所依据的所有的基本要素：感应、分析、执行的反馈全自动的闭环的闭环系统唯一欠缺点的是分析信息的参照不可调整（飞铁重量不可调整）不过后期改进的调速器加了个弹簧，而弹簧的弹力是可以调整的，这样就可以满足对机器转速的任意设定了。后现代控制论在此基本思想的基础上得到了超乎人想象地在人类所触及的各个领域得到了尽情地发扬广大。2 PID基本理论 什么是PID？P就是比例，就是输入偏差乘以一个系数；I就是积分，就是对输入偏差进行积分运算；D就是微分，对输入偏差进行微分运算。 尼克尼斯做了一个普遍性较强的整定原则：*4*为比例控制参数为微分控制参数为积分控制参数为系统开始振荡时的比例值；为极坐标下振荡时的频率这个方法只是提供一个大致的思路，具体情况要复杂得多。上图为PID过程控制流程，该系统由模拟PID 控制器和被控对象组成。图中，r（t）是给定值，y（t）是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e（t），有 e（t） = r（t） y（t）e（t）作为PID 控制器的输入，u（t）作为PID 控制器的输出和被控对象的输入。 写成公式即为：v 其中： u(t)调节器的输出信号；v e(t)调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差v KP比例系数v T I 积分时间v T D 微分时间v u 0 控制常量v KP /T I 积分系数v KP / T D 微分系数比例环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应。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向变化。控制作用的强弱取决于比例系数KP， KP越大，控制越强，但过大的KP会导致系统震荡，破坏系统的稳定性。比例调节器的微分方程为： y=KPe(t) 其阶跃响应特性曲线如图：积分作用是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用。积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大。直到偏差e（t）=0，输出的u（t）才可能维持在某一常量，使系统在给定值r（t）不变的条件下趋于稳态。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T I 越大，积分的积累作用越弱。增大积分常数T I 会减慢静态误差的消除过程，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。所以，必须根据实际控制的具体要求来确定TI 。积分方程为：其阶跃响应特性曲线如图：微分环节的作用是阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化得越快，微分控制器的输出越大，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，克服震荡，使系统趋于稳定。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声大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。适当地选择微分常数TD ，可以使微分的作用达到最优。微分方程为：其阶跃响应特性曲线如图：3 PID与波形图在工程中的应用实例 PID在实际应用中随着变频器的不同，其参照值都会不一样，但基本规律是一样的。特别注意不同品牌的变频器他们的I与D的调节参数，有的是时间常数，有的则直接是积分系数与微分系数，他们的关系是倒数关系，所以功能正好相反。另外每个品牌的变频器基本都有一个大概范围的经验值，理论上最好不要超过厂家给的这个范围值。 图1上图为华润大东CT变频器起升机构1粗调时的波形图，其中黄线为给定，红线为反馈。绿线为PID输出，白色为电流。可以很明显的看出输出滞后，并且输出没有超调，也没有静态误差，所以果断增加P值。 图2上图为起升机构2的波形图，很明显超调了。所以先减少积分系数，如果出现静态误差或者出现图1的情况则增加P。最后2个机构得到的波形如下图3：白色为电流，绿色为变频器制动器打开命令。 记得刚做工控这行时，我师父曾对我说，什么时候明白了PID你就算入门了。现在可以大致理解这3个参数的含义也算是没辜负他当初的教导吧！另外波形图在查找一些变频器的疑难杂症上也有很好的效果，仍以华润大东项目举例，我们在试运行时发现一个现象：主起升弱磁全速运行时偶尔起升机构的制动器会突然关闭，然后瞬间又打开。起升机构有2个制动器是同一个逻辑，另一个制动器却正常。因此最初怀疑是那个制动器有问题。后来询问司机大概是做什么动作时出现这个现象，说是倍速时再动另一个起升很容易出现这个问题，于是拍波形如下图红色为直流母线电压，白色为电流，绿色为制动器打开命令，黄色为速度。很明显看到在倍速时启动另一个起升机构时，出现白色