1、.,PID控制,.,引言,在實(shí)際的過程控制與運(yùn)動控制系統(tǒng)中，PID家族占據(jù)有相當(dāng)?shù)牡匚?，?jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)控制的控制器中PID類控制占有90%以上。 PID控制器是最早出現(xiàn)的控制器類型，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單，各個控制器參數(shù)有著明顯的物理意義，調(diào)整方便，所以這類控制器很受工程技術(shù)人員的喜愛。,.,PID控制原理,在模擬系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。為了說明控制器的工作原理，先看一個例子。如圖所示是一個小功率直流電機(jī)調(diào)速原理圖。給定速度n0(t)與實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較n(t)，其差值e(t)=n0(t)-n(t)，經(jīng)過PID控制器調(diào)整后輸出電壓控制信號u(t)，u(t)經(jīng)過功率放大后，驅(qū)動直流電機(jī)改

2、變其轉(zhuǎn)速。,.,PID控制原理,常規(guī)的模擬PID控制系統(tǒng)原理圖如圖所示。該系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。圖中，r(t)是給定值，y(t)是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差e(t)，e(t)=r(t)-y(t)，e(t)作為PID控制的輸入，u(t)作為PID控制器的輸出和被控對象的輸入。,.,PID控制原理,模擬PID控制的控制規(guī)律為 其中：Kp 控制器的比例系數(shù) Ki 控制器的積分時間，也稱積分系數(shù) Kd 控制器的微分時間，也稱微分系數(shù),.,PID控制原理,簡單來書，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： （1）比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)

3、生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。 （2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 （3）微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能再偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。,.,比例控制器的作用,作用：對當(dāng)前時刻的偏差信號e(t)進(jìn)行放大或衰減，控 制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)； 特點(diǎn)：Kp越大系統(tǒng)動態(tài)特性越好，但Kp過大y(t)可能會 引起系統(tǒng)振蕩使穩(wěn)定性變差，也有可能出現(xiàn)比例 飽和現(xiàn)象。 缺點(diǎn)：不能消除靜態(tài)誤差。,.,積分控制器的作用,作用：

4、通過對誤差累積的作用影響控制量，并通過系統(tǒng) 的負(fù)反饋?zhàn)饔脺p小偏差； 特點(diǎn)：與e(t)存在全部時段有關(guān)，只要有足夠的時間, 積分控制將能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差。 缺點(diǎn)：不能及時地克服擾動的影響。,.,積分控制器的作用,作用：有助于減小 超調(diào)和調(diào)整時間，改善系統(tǒng)的動態(tài) 品質(zhì); 特點(diǎn)：反應(yīng)e(t) 變化的速度，在偏差剛剛出現(xiàn)時產(chǎn)生很 大的控制作用，具有超前控制作用； 缺點(diǎn)：不能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。,.,自適應(yīng)模糊PID控制器,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用智能的方法將操作人員調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為PID參數(shù)的初始值存入計(jì)算機(jī)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自動調(diào)整PID參數(shù)，這樣就出現(xiàn)了智能PID控制器。 這種控制要通過

5、不斷的數(shù)據(jù)收集與實(shí)踐來不斷的調(diào)整參數(shù)初始值從而實(shí)現(xiàn)最佳狀態(tài)。,.,自適應(yīng)模糊PID控制器,自適應(yīng)模糊PID控制是以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器。,.,自適應(yīng)模糊PID控制器,PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理來對3個參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求，而使被控制對象有良好的動、靜態(tài)性能。,.,自適應(yīng)模糊PID控制器,PID參數(shù)的整定必須考慮到在不同時刻三個參數(shù)的作用以及

6、相互之間的互聯(lián)關(guān)系。 模糊自整定PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。 模糊控制實(shí)際的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對kp,ki,kd三個參數(shù)分別整定的模糊控制表。 在線實(shí)時模糊自整定PID控制器控制方案原理如圖所示。,.,Kp的模糊規(guī)則表,.,Ki的模糊規(guī)則表,.,Kd的模糊規(guī)則表,.,自適應(yīng)模糊PID控制器,Kp,Ki,Kd的模糊控制規(guī)則表建立好后，可根據(jù)如下方法進(jìn)行Kp,Ki,Kd的自適應(yīng)校正。 將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec變化范圍定義為模糊機(jī)上的論域。 e

7、,ec=-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,.,自適應(yīng)模糊PID控制器,其模糊子集為e,ec=(NB,NM,NS,O,PS,PM,PB) 子集中元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。設(shè)e,ec和Kp,Ki,Kd均服從正態(tài)分布，因此可得出各模糊子集的隸屬度，根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表，查處修正參數(shù)代入下式計(jì)算,.,Kp=Kp+e,ecp Ki=Ki + e,eci Kd=Kd+e,ecd 在線運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成對PID參數(shù)的在線自校正，其流程工作圖如下。,.,流程圖,入口,取當(dāng)前采樣值,e(k)=r(k)-y(k),ec(k)=e(k)-e(k-1),e(k-1)=e(k),e(k)、ec(k)模糊化,模糊整定detp、deti、detd,計(jì)算當(dāng)前kp、ki、kd,PID控制器輸出,返回,.,仿真