PID自整定控制系统设计

来源:用户上传      作者:陈金宝

　　摘 要：本文主要内容是PID自整定控制系统设计，运用PID自整定技术对电动机转速进行实时调节，在短时间内达到新的平衡点。这样可以有效地解决控制困难和控制精度不高等难题，能够提高控制质量和系统稳定性。
　　关键词：PID自整定;实时调节
　　1 绪论
　　1.1 课题研究的背景及意义
　　电动机的发展在工业生产方面最能展现其优越性，在节省大量的劳动力的同时，又可以很大程度地提升生产力，是现代生活中不可缺少的替代品。对电动机的精准控制不仅能优化产品质量，还能体现现代化生产的优势。目前我国的电动机虽然种类繁多，但都没有得到很好运用和发展，在很多情况下都是大材小用，因此需要我们研究和推广高效电动机。采用PID自整定控制的电动机可以解决资源浪费现象，真正实现现代生产理念。在现代生产生活中，用PID控制的电动机成为最受欢迎的控制器，它快速的整定效果已达到高精度控制，但电动机面临的巨大难题是其参数难以控制，阻碍了其发展。
　　传统的PID算法参数的调节时间非常长，即使有经验的工程师也得需要很长的控制时间，难以满足在生产中的需要，浪费人力物力。有些整定方法有相对较好的控制效果，但必须要经过很长的控制时间，而整定时间短的则达不到理想的控制效果，所以在以后的发展方向上主要是在提高控制效果，缩短控制时间。到现在为止，越来越多的PID整定方法被开发出来，以满足不同的需求，根据环境的不同，选择合适的整定方法至关重要。如何选用较为简单快捷的算法，在生产生活中具有重要意义。
　　1.2 PID自整定的国内外发展现状
　　1922年米罗斯基提出PID的概念，根据位置控制系统，总结出了控制规律公式。20世纪30年代，由于技术原因并未得到推广。10年之后，自动调节器才被研发出来，当时人们的认知水平和购买能力有限而没有被推广。1942年以后，PID控制器在参数的调整方面取得了很大的进步，各式各样的控制方法被人们所推广，出现了诸如最优PID控制、预估PID控制、自适应PID控制等高级PID控制策略。由于PID控制器使用方便，结构简单，才使其快速发展，被越来越多的人使用。
　　目前电动机的发展比较迅速，对电动机的控制方面有很大空间的提升。在国内，PID控制器的研究还处于刚刚起步的状态，其控制器实际运用还是比较少的，同时研发和销售PID控制器的商家也比较少，国外的PID参数整定技术的研究起步比较早，相对国内来说技术已经比较成熟。自PID控制理论的提出到现在已有100多年的历史，PID控制器也得到了飞速发展，目前市场上的PID控制器种类繁多，价格也随着控制效果的不同大有差异。
　　传统PID控制器主要是根据偏差来控制参数，如果输入值突变，则很容易产生超调，损坏PID调节器。另外PID参数必须是在动态特性下完成的，如果在控制过程中负载突然变化，这是必须重新整定。
　　1.3 电动机的PID自整定的控制特点
　　电动机的PID自整定也包括开环和闭环控制，开环控制系统一般指在控制电路中瞬间完成，不需要对其结果分析。而闭环控制系统可以将结果反馈与设定值做对比，并根据其偏差的大小调整整个系统的稳定，进而实现自动整定的效果。
　　用PID自整定控制的电动机在创新上有以下特点：
　　（1）通过改进后的电动机控制具有转速设置和显示功能，这种设计方法可以不用有人在现场调控就可以正常运转，实现远程操控。还具有远距离传输控制，手动修改参数的功能，较以前的功能比较有了很大程度的提升。
　　（2）过去控制器的参数比较简单，控制效果也不能满足所需要的要求，参数优化的改进方法远远跟不上现实的需要。改进后的PID参数自整定控制，具有参数实时调整功能，调节的效果要比过去的控制好得多。
　　2 电动机数学模型及PID自整定算法
　　2.1 电动机的调速方法
　　电动机的调速方法是利用PID控制输出PWM高电平的输出时间，通过调节占空比改变电压实现对电动机转速的控制。
　　电动机的速度VD=VMAX×D，其中D为占空比，VMAX是电动机的最大转速，所以，根据上式中改变D的大小就可以实现电动机的转速调节。
　　PWM脉冲与电压的关系如图1所示。
　　2.2 PID自整定算法
　　所谓的PID控制算法，是由比例环节P、积分环节I和微分环节D组成。主要应用在闭环控制系统中，将输出值与设定值之间的偏差通过线性关系构成的控制量，对被控参数进行调控，具有反馈功能的电路才能实现被控变量的实时控制。
　　PID控制系统是由输入、PID控制器、被控对象和输出等四部分组成。
　　PID控制系统方框图如图2所示。
　　其输入e（t）与输出u（t）关系为：
　　PID控制器的传递函数公式为：
　　PID控制思想被应用在计算机控制系统中，可以更精确地调整参数，以达到精准控制的目的。调节器的输出与输入之间的关系为：
　　式中：Kc表示比例系数;Ti是积分时间常数;Td是微分时间常数;T为采样周期;e（kT-T）为第（K-1）次采样的输入偏差值;K是采样序号，取值范围是0、1、2、3……
　　2.3 电动机的PID自整定算法
　　2.3.1 位置式PID控制
　　位置式PID控制方框图如图3所示。
　　位置式PID控制器的输出如下式所示：
　　上式中：U（k）控制器的输出;e（k）控制器的输入;Kp比例放大系数;Ti积分时间常数;Td微分时间常数。
　　位置式PID控制器中问笨淌涑龆懒⑿缘模e（k）需要累加和储存，这样就加大了计算机的内存，增加负载。
　　2.3.2 增量式PID控制
　　与位置式PID算法相比，增量式PID算法要保存前三次取样的数值误差，根据误差反馈进行整定，计算量小，因此得到了广泛的使用。其输出为：

nlc202204021405

转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15427441.htm