由于PID屬于無模型控制,調節三個環節的參數會產生什么影響根據控制對象的不同也會有很大差別。你提到的這些結論其實都是根據經驗總結出來的。既然你說是從來沒有接觸過PID,那我就舉例盡量說明一下PID控制是怎么一回事。
1)假設我們面對的系統是一個簡單的水箱的液位,要從空箱開始注水直到達到某個高度,而你能控制的變量是注水籠頭的開關大小。那么這個簡單的數學模型就是
對于這個簡單的系統,我們甚至只需要一個比例環節
就能將其控制住。說白了,也就是水箱液位離預定高度遠的時候就開大點,離的近的時候就開小點,隨著液位逐步接近預定高度逐漸關掉水龍頭。
2)假設咱們這個水箱不僅僅是裝水的容器了,還需要持續穩定的給用戶供水。
然后有人就想到,第二小節里頭那個水箱跟第一小節的相比,不就是多了一個漏水的窟窿么。它漏多少我給它補多少,那不就成了第一小節里的簡單系統了么。靠誰補呢?積分環節這時候就派上用場了。我們把之前的控制器變成比例環節+積分環節:
積分環節的意義就相當于你增加了一個水龍頭,這個水龍頭的開關規則是水位比預定高度低就一直往大了擰,比預定高度高就往小了擰。如果漏水速度不變,那么總有一天這個水龍頭出水的速度恰好跟漏水的速度相等了,系統就和第一小節的那個一樣了。那時,靜差就沒有了。這就是所謂的積分環節可以消除系統靜差。4)啥叫積分時間常數呢?
從這個式子我們可以看出,積分時間常數越大,積分環節系數就越小,積分環節就越不敏感(也就是第二個水龍頭越細)。當咱們只有一個比例環節的水龍頭注水的時候,是不會注水注多的,因為離得越近水龍頭關的越小啊。但是當咱們用倆水龍頭注水的時候,在沒到預定高度前第二個積分環節的水龍頭可以一直在往大了擰的,那當到達預定高度的時候它恰好擰到最大,自然而然就會注水注多了。而多出去的這部分水就叫做“超調”。第二個水龍頭越粗,多注的水就會越多,它調到恰好等于漏水速度的時間就會越快,但同時會多更多波折。于是,老師告訴我們增大積分時間I有利于減小超調,減小振蕩,使系統的穩定性增加,但是系統靜差消除時間變長。如下圖:
5)接下來我們來看點有意思的東西。還是上面這個系統,假如我們選用相同的積分時間常數,但是選擇不同的比例系數會如何呢?
看到上面這幅圖,一些記性好的童鞋可能就有疑問了。因為老師明明說過”過大的比例系數會使系統有比較大的超調,并產生振蕩,使穩定性變壞“,但是上面這幅圖里怎么比例大的反而超調小呢?其實上面這幅圖很好解釋,小節4里我們說明了PI控制器超調出現原因是積分這個水龍頭在到達目標液位時也恰好開到了最大。而比例這個水龍頭越粗,那么它在超出目標液位時對超調的抑制也就越明顯。這里,我想再強調的是:PID參數整定的結論是根據普遍經驗總結的,但是針對某個具體的系統不一定完全適用。6) 在上面的系統中,我們假設用戶用水的固定的一個值,但是實際情況中用戶的用水量往往是變化的。假如我們的系統呢?
“微分環節主要作用是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化”“微分常數不能過大,否則會使響應過程提前制動,延長調節時間”而至于“微分環節會降低系統的抗干擾性能”,微分環節相對于PI環節更容易收到這些細微噪聲的影響。從這里,我們可以看到PID控制的局限。—————————————————微分環節想了很久,最后還是覺得想到的例子都不夠清楚準確,還是用式子更順手一些。
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原文標題:通俗講講 PID 參數整定
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