Pid控制直流双闭环调速系统

直流电机双闭环调速系统汇报人：PID控制1、模拟PID控制1.1模拟PID控制原理2、数字PID控制2.1位置式PID算法2.2增量式PID算法2.3控制器参数整定2.4参数调整规则的探索2.5自校正PID控制器PID介绍：在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节.PID控制器问世至今已有近70年历史,它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一.偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。模拟PID控制原理比例部分比例部分的数学式表示是：Kp*e(t)在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。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，比例系数Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数Kp选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。积分部分积分部分的数学式表示是：从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就不断的增加；只有在偏差e(t)=0时，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。可见，积分部分可以消除系统的偏差。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Ti越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡；但是增大积分常数Ti会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当Ti较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定Ti。微分部分微分部分的数学式表示是：实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应（比例环节的作用），而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在PI控制器的基础上加入微分环节，形成PID控制器。微分环节的作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，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，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较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。微分部分的作用由微分时间常数Td决定。Td越大时，则它抑制偏差e(t)变化的作用越强；Td越小时，则它反抗偏差e(t)变化的作用越弱。微分部分显然对系统稳定有很大的作用。数字PID控制由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量量，进行连续控制。积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化处理的方法为：以T作为采样周期，k作为采样序号，则离散采样时间kt对应着连续时间t，用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，可作如下近似变换：表示的控制算法式直接按所给出的PID控制规律定义进行计算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式PID控制算法。这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对ek进行累加，工作量大；并且，因为计算机输出的uk对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的u将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故，这在实生产际中是不允许的。增量式PID算法所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量增量∆ku。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID控制算法进行控制。而位置式PID控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式：控制器参数整定控制器参数整定：指决定调节器的比例系数、积分时间Ti、微分时间Td和采样周期Ts的具体数值。整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。整定调节器参数的方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法有对数频率特性法和根轨迹法等；工程整定法有凑试法、临界比例法、经验法、衰减曲线法和响应曲线法等。工程整定法特点不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握。整定方法凑试法临界比例法经验法采样周期的选择香农（Shannon）采样定律：为不失真地复现信号的变化，采样频率至少应大于或等于连续信号最高频率分量的二倍。根据采样定律可以确定采样周期的上限值。实际采样周期的选择还要受到多方面因素的影响，不同的系统采样周期应根据具体情况来选择。采样周期的选择，通常按照过程特性与干扰大小适当来选取采样周期：即对于响应快、（如流量、压力）波动大、易受干扰的过程，应选取较短的采样周期；反之，当过程响应慢（如温度、成份）、滞后大时，可选取较长的采样周期。采样周期的选取应与PID参数的整定进行综合考虑，采样周期应远小于过程的扰动信号的周期，在执行器的响应速度比较慢时，过小的采样周期将失去意义，因此可适当选大一点；在计算机运算速度允许的条件下，采样周期短，则控制品质好；当过程的纯滞后时间较长时，一般选取采样周期为纯滞后时间的1/4～1/8。参数调整规则的探索人们通过对PID控制理论的认识和长期人工操作经验的总结，可知PID参数应依据以下几点来适应系统的动态过程。1、在偏差比较大时，为使尽快消除偏差，提高响应速度，同时为了避免系统响应出现超调，Kp取大值，Ki取零；在偏差比较小时，为继续减小偏差，并防止超调过大、产生振荡、稳定性变坏，Kp值要减小，Ki取小值；在偏差很小时，为消除静差，克服超调，使系统尽快稳定，Kp值继续减小，Ki值不变或稍取大。2、当偏差与偏差变化率同号时，被控量是朝偏离既定值方向变化。因此，当被控量接近定值时，反号的比列作用阻碍积分作用，避免积分超调及随之而来的振荡，有利于控制；而当被控量远未接近各定值并向定值变化时，则由于这两项反向，将会减慢控制过程。在偏差比较大时，偏差变化率与偏差异号时，值取零或负值，Kp以加快控制的动态过程。3、偏差变化率的大小表明偏差变化的速率，越大，取值越小，Kp取值越大，Ki反之亦然。同时，要结合偏差大小来考虑。4、微分作用可改善系统的动态特性，阻止偏差的变化，有助于减小超调量，消除振荡，缩短调节时间t，允许加大Kp，使系统稳态误差减小，提高控制精度，达到满意的控制效果。所以，e在比较大时，Kd取零，实际为PI控制；在比e较小时，Kd取一正值，实行PID控制。直流双闭环调速系统单闭环直流调速系统同开环调速系统一样，转速闭环调速系统中电机的转速大小受转速给定电压Un*控制，给定电压为零时，电机停止；给定电压增大时，电机转速升高；给定电压减小时，电机转速下降。以升速控制为例，系统的调节原理分析如下：转速上升，转速反馈电压会升高，但其升值小于给定电压增值，电压差总体上是增大的，转速是上升的。直流双闭环控制系统双闭环是在单回路PID控制的基础上发展起来的一种控制技术。当PID控制用于单回路控制一个被控量时，其控制结构简单，控制参数易于整定。但是，当系统中同时有几个因素影响同一个被控量时，如果只控制其中一个因素，将难以满足系统的控制性能。双闭环控制针对上述情况，在原控制回路中，增加一个或几个控制内回路，用以控制可能引起被控量变化的其它因素，从而有效地抑制了被控对象的时滞特性，提高了系统动态响应的快速性。应用场合:应用于经常正反转运行的高性能调速系统，保持匀速系统，例如可逆轧钢机和龙门刨床等高精度控制工业自动化领域。系统功能介绍:双闭环直流调速系统是串级调速控制系统，即分别通过转速环和电流环协同作用来调节直流电动机的转速，由相应的控制器连接外围电路，实现设定、显示和保护等功能。在转速、电流双闭环调速系统中，即要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过度过程，其关键是处理好转速控制和电流控制之间的关系。用转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级调节，即以转速调节器的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号，再用电流调节器的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构看，速度环在外面为外环，电流环在里面为内环。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入、输出限幅电路的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈环。双闭环直流调速系统结构图直流调速系统的PID仿真及分析直流电动机的主要参数如下：电动机：额定电压Unom=220V，额定电流Inom=136A，额定转速nnom=1460r/min，电势常数Ce=0.132*min/r。允许的过载倍数为1.5。晶闸管装置的放大系数Ks=40。电枢回路总电阻R=0.5Ω。电磁时间常数：Ti=0.03s。机电时间常数：Tm=0.18s。电流的反馈系数β=0.05V/A。转速的反馈系数α=0.007V*min/r。直流调速系统的PID仿真及分析PID控制仿真当给定电压Un=10V，steptime=0s，加载负载电流=0A时，即为空载的情况下，系统的转速变化曲线如图所示。当给定电压Un=10V，steptime=0s,当转速达到稳定后，在2s时加入额定负载电流I=136A为，接近额定负载时系统的转速变化曲线如图所示。结论：采用PID控制得到的输出波形在快速响应方面做得较好，能较快的达到稳态值。双闭环转速电流调节方法，保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。