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它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:
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,还必须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控制器参数的工程整定方法,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最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:
(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;
(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;
(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
在实际调试中,只能先大致设定一个经验值,然后根据调节效果修改。
对于温度系统:
P(%)20--60,I(分)3--10,D(分)0.5--3
对于流量系统:
P(%)40--100,I(分)0.1--1
对于压力系统:
P(%)30--70,I(分)0.4--3
对于液位系统:
P(%)20--80,I(分)1--5
参数整定找最佳,从小到大顺序查
先是比例后积分,最后再把微分加
曲线振荡很频繁,比例度盘要放大
曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳
曲线偏离回复慢,积分时间往下降
曲线波动周期长,积分时间再加长
曲线振荡频率快,先把微分降下来
动差大来波动慢。
微分时间应加长
理想曲线两个波,前高后低4比1
一看二调多分析,调节质量不会低
PID调节概念及基本原理-电气论文
作者:
佚名
文章来源:
不详
点击数:
5129
更新时间:
2006-7-10
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时,控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器﹑传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构,加到被控系统上;
控制系统的被控量,经过传感器,变送器,通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统,其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器(仪表)已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用,有各种各样的PID控制器产品,各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligentregulator),其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC),还有可实现PID控制的PC系统等等。
可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制,而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连,如Rockwell的PLC-5等。
还有可以实现PID控制功能的控制器,如Rockwell的Logix产品系列,它可以直接与ControlNet相连,利用网络来实现其远程控制功能。
1、开环控制系统
开环控制系统(open-loopcontrolsystem)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。
在这种控制系统中,不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
2、闭环控制系统
闭环控制系统(closed-loopcontrolsystem)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。
闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈(NegativeFeedback),若极性相同,则称为正反馈,一般闭环控制系统均采用负反馈,又称负反馈控制系统。
闭环控制系统的例子很多。
比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统,眼睛便是传感器,充当反馈,人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。
如果没有眼睛,就没有了反馈回路,也就成了一个开环控制系统。
另例,当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净,并在洗净之后能自动切断电源,它就是一个闭环控制系统。
3、阶跃响应
阶跃响应是指将一个阶跃输入(stepfunction)加到系统上时,系统的输出。
稳态误差是指系统的响应进入稳态后﹐系统的期望输出与实际输出之差。
控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。
稳是指系统的稳定性(stability),一个系统要能正常工作,首先必须是稳定的,从阶跃响应上看应该是收敛的﹔准是指控制系统的准确性、控制精度,通常用稳态误差来(Steady-stateerror)描述,它表示系统输出稳态值与期望值之差﹔快是指控制系统响应的快速性,通常用上升时间来定量描述。
4、PID控制的原理和特点
当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。
PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
(1)比例(P)控制
(2)积分(I)控制
在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(SystemwithSteady-stateError)。
(3)微分(D)控制
在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。
这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
5、PID控制器的参数整定
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。
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控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
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最后调整与完善。
(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;
自本世纪30年代以来,自动化技术获得了惊人的成就,已在工业生产和国民经济各行业起着关键的作用。
自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
古典控制最早和最典型的实例是蒸汽机的离心式飞锤调速器控制﹔现代控制的典型的实例是火炮的控制﹐阿波罗登月的实现﹔智能控制的实例有模糊全自动洗衣机等等。
一、控制系统的结构
一个控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口,见图1。
控制器的输出经过输出接口、执行机构﹐加到被控系统上﹔控制系统的被控量﹐经过传感器﹐变送器﹐通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。
比如一个电加热炉控制系统﹐被控制量是温度﹐传感器是温度传感器。
压力控制系统要采用压力传感器。
图1
二、开环控制系统
开环控制系统(open-loopcontrolsystem)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响,如图2所示。
在这种控制系统中,不依赖将被控量反送回来以形成任何死循环回路。
开环控制系统的例子很多,比如:
汽车引擎的空转速率控制系统﹔一般的洗衣机,它的洗衣时间完全由人为操作来判断与估计。
图2
图中扰动量是指系统的干扰(disturbance),给定量是指系统的参考输入(referenceinput),被控制量是指被控对象的输出,控制信号是指控制器的输出。
二、闭环控制系统
闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈(N
egativeFeedback),若极性相同,则称为正反馈,一般闭环控制系统均采用负反馈,又称负反馈控制系统。
图1给出一个闭环控制系统(负反馈)的结构图。
比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统,当他去拿东西的时候,眼睛便是传感器,充当反馈,人体系统能通过不断的修正最后拿到所要取的东西。
当然,如果这个人是一个瞎子,他没有眼睛,不能看见所要拿的物品,就没有了反馈回路,也就成了一个开环控制系统。
另一个例子是上面我们所说的洗衣机,当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗清及在洗清之后能自动切断电源的装置的时候,它就是一个死循环控制系统。
三、阶跃响应
图3表示的是一个系统的阶跃响应(stepresponse)。
阶跃响应是指将一个阶跃输入(stepfunction)加到系统上时系统的输出﹐图中红线所示。
控制系统的性能指针可以用稳、准、快三个字来描述。
1、
PWM原理
2、调制器设计思想
3、具体实现设计
一、
PWM(脉冲宽度调制PulseWidthModulation)原理:
脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成,其占空比与信号的瞬时采样值成比例。
图1所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。
该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。
语音信号如果大于锯齿波信号,比较器输出正常数A,否则输出0。
因此,从图1中可以看出,比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。
通过图1b的分析可以看出,生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻tk时的语音信号幅度值。
因而,采样值之间的时间间隔是非均匀的。
在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号,但是对于实际中tk-kTs<
<
Ts的情况,均匀采样和非均匀采样差异非常小。
如果假定采样为均匀采样,第k个矩形脉冲可以表示为:
(1)
其中,x{t}是离散化的语音信号;
Ts是采样周期;
是未调制宽度;
m是调制指数。
然而,如果对矩形脉冲作如下近似:
脉冲幅度为A,中心在t=kTs处,
在相邻脉冲间变化缓慢,则脉冲宽度调制波xp(t)可以表示为:
(2)
其中,
。
无需作频谱分析,由式
(2)可以看出脉冲宽度信号由语音信号x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。
当
时,相位调制部分引起的信号交迭可以忽略,因此,脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。
二、
数字脉冲宽度调制器的实现:
实现数字脉冲宽度调制器的基本思想参看图2。
图中,在时钟脉冲的作用下,循环计数器的5位输出逐次增大。
5位数字调制信号用一个寄存器来控制,不断于循环计数器的输出进行比较,当调制信号大于循环计数器的输出时,比较器输出高电平,否则输出低电平。
循环计数器循环一个周期后,向寄存器发出一个使能信号EN,寄存器送入下一组数据。
在每一个计数器计数周期,由于输入的调制信号的大小不同,比较器输出端输出的高电平个数不一样,因而产生出占空比不同的脉冲宽度调制波。
图3
为了使矩形脉冲的中心近似在t=kTs处,计数器所产生的数字码不是由小到大或由大到小顺序变化,而是将数据分成偶数序列和奇数序列,在一个计数周期,偶数序列由小变大,直到最大值,然后变为对奇数序列计数,变化为由大到小。
如图3例子。
奇偶序列的产生方法是将计数器的最后一位作为比较数据的最低位,在一个计数周期内,前半个周期计数器输出最低位为0,其他高位逐次增大,则产生的数据即为偶数序列;
后半个周期输出最低位为1,其余高位依次减小,产生的数据为依次减小的偶序列。
具体电路可以由以下电路图表示:
三、
8051中的PWM模块设计:
应该称为一个适合语音处理的PWM模块,输出引脚应该外接一积分电路。
输出波形的方式适合作语音处理。
设计精度为8位。
PWM模块应包括:
比较部分(Comp):
2、
计数部分(Counter):
3、
状态及控制信号寄存/控制器(PWM_Ctrl);
1)
状态积寄存器:
(Flags),地址:
E8H;
①EN:
PWM模块启动位,置位为‘1’将使PWM模块开始工作;
②(留空备用)
③④解调速率标志位:
00–无分频;
01–2分频;
10–10分频;
11–16分频。
(RESET后为00)
⑤(留空备用)
⑥(留空备用)
⑦(留空备用)
⑧(留空备用)
注意:
该寄存器可以位操作情况下可写,不可读;
只能在字节操作方式下读取。
2)
数据寄存器(DataStore),地址:
F8H;
该寄存器值不可读,只可写。
4、
端口:
数据总线(DataBus);
(双向)
地址总线(AddrBus);
(IN)
3)
PWM波输出端口(PWMOut);
(OUT)
4)
控制线:
①CLK:
时钟;
②Reset:
异步复位信号;
(IN低电平有效)
③WR:
写PWMRAM信号;
(IN低电平有效);
④RD:
读PWMRAM信号;
⑤DONE:
接受完毕反馈信号;
(OUT高电平有效)
⑥INT:
中断申请信号;
(OUT低电平有效)
⑦IntResp:
中断响应信号;
(In低电平有效)
⑧ByteBit:
字节/位操作控制信号(IN1-BYTE0-BIT);
⑨⑩
中断占用相当于MCU8051的外部中断2,则可保证在5个指令周期之内,“读取数据”中断必定得到响应。
PWM模块使用方法:
因为占用了8051外部中断1,所以在不使用该模块时,应该把外部中断2屏蔽。
而PWM模块产生的中断请求可以看作是“能接受数据”的信号。
中断方法如后“中断读取数据过程”。
使用PWM模块,应该先对内部地址8FH的数据寄存器写入数据,然后设置地址8EH的状态寄存器最低位(0)为‘1’,即PWM模块开始工作并输出PWM调制波(如TIMER模块)。
在输出PWM调制波过程中,应及时对PWM写入下一个调制数据,保证PWM连续工作,输出波形连续。
(待改进)
中断读取数据过程:
1.
PWM模块可以读取数据,申请中断信号INT置位为‘0’,等待8051响应;
2.
8051接受到中断申请后,作出中断响应,置位IntResp信号线为‘0’;
3.
PWM模块收到IntResp信号后,把中断申请信号INT复位为‘1’,等待8051通知读取数据WR信号;
4.
8051取出要求数据放于数据总线(DataBus)上,并置WR信号为‘0’;
5.
PWM模块发现WR信号为‘0’,由数据总线(DataBus)上读取数据到内部数据寄存器,将DONE位置位为‘1’;
6.
8051发现DONE信号的上跳变为‘1’,释放数据总线;
7.
PWM模块完成当前输出周期,复位DONE为‘0’,从此当前数据寄存器可以再次接受数据输入。
注意事项:
1)输出的PWM信号中的高电平部分必须处于一个输出周期的中间,不能偏离,否则输出语音经过低通后必定是一失真严重的结果。
2)对于8位精度的PWM,每个输出周期占用256(28)个机器周期,但是包含256个机器周期至少有22个指令周期,亦即264(22*12)个机器周期,由于语音信号的连续性,256与264之间相差的8个机器周期是不能由之丢空的,否则也会使输出信号失真。
如果将须输出数字量按256/264的比例放大输出,亦不可行,因为如此非整数比例放大,放大倍数很小,则经过再量化后小数部分亦会被忽略掉,产生失真。
举例:
输出数字量为16,按比例放大后为16.5,更会产生难以取舍的问题。
故采取以下办法:
该模块以时钟周期为标准,而与TMBus无关,即基本上与8051部分异步工作。
读取数据方式为每次读取足够数据段储存于模块内的RAM内(暂定每次读取8字节),储存字节数必须能保证PWM输出该段数据过程中,有足够时间从RAM处继续读取数据。
由于占用了8051的外部中断2,中断申请在3个指令周期(36个时钟周期)内必定能得到响应,而PWM模块处理一个数据需要固定耗时256个时钟周期,故能保证PWM模块顺序读取数据中断能及时得到响应,不会影响调制信号的连续性。
3)RDRAM过程是异步过程。
4)输出后数据寄存器不自动清零。
因为可以通过把Flags(0)写‘0’而停止PWM模块继续工作。
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