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嵌入式系统PID控制算法详解

时间:2019-07-29 22:48来源:武汉华嵌 作者:whhq 点击:
嵌入式系统PID控制算法详解 一、什么是PID? PID,就是比例(proportional)、积分(integral)、微分(derivative),PID控制,又称PID调节,是一种很常见的控制算法,PID已经有100多年的历史
  

嵌入式系统PID控制算法详解

 

一、什么是PID?

 

      PID,就是“比例(proportional)、积分(integral)、微分(derivative)”英文缩写,PID控制,又称PID调节,是一种很常见的控制算法,PID已经有100多年的历史了。其实PID并不是什么很神圣的东西,大家一定都见过PID的实际应用。比如四轴飞行器,再比如平衡小车......还有汽车的定速巡航、3D打印机上的温度控制器....武汉华嵌科技(www.embedhq.org)在嵌入式系统的PID控制研究方面积累了很多项目经验。

 

      它以其结构简单、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。

      应用场合:需要将某一个物理量“保持稳定”的场合(比如维持平衡,稳定温度、转速等),PID都会派上大用场。

      P,I,D是三种不同的调节作用,既可以单独使用(P,I,D),也可以两个两个用(PI,PD),也可以三个一起用(PID)。

 

                           

 

二、调节系数kP、kI、kD

 

1、kP

 

        P就是比例的意思。它的作用最明显,原理也最简单。需要控制的量,比如水温,有它现在的『当前值』,也有我们期望的『目标值』。

 

实际写程序时,就让偏差(目标减去当前)与调节装置的“调节力度”,建立一个一次函数的关系,就可以实现最基本的“比例”控制了。

 

kP越大,调节作用越激进,kP调小会让调节作用更保守。

 

要是你正在制作一个平衡车,有了P的作用,你会发现,平衡车在平衡角度附近来回“狂抖”,比较难稳住。

 

2、kD

 

       D的作用更好理解一些,所以先说说D,最后说I。

 

刚才我们有了P的作用。你不难发现,只有P好像不能让平衡车站起来,水温也控制得晃晃悠悠,好像整个系统不是特别稳定,总是在“抖动”。

 

请想象一下:要是把上图所示的系统浸没在水里,同样拉它一下 :这种情况下,重新停在平衡位置的时间就短得多。

 

 

我们需要一个控制作用,让被控制的物理量的“变化速度”趋于0,即类似于“阻尼”的作用。

 

因为,当比较接近目标时,P的控制作用就比较小了。越接近目标,P的作用越温柔。有很多内在的或者外部的因素,使控制量发生小范围的摆动。

 

D的作用就是让物理量的速度趋于0,只要什么时候,这个量具有了速度,D就向相反的方向用力,尽力刹住这个变化。

 

kD参数越大,向速度相反方向刹车的力道就越强。

 

3、kI

 

       还是以热水为例。假如有个人把我们的加热装置带到了非常冷的地方,开始烧水了。需要烧到50℃。

 

在P的作用下,水温慢慢升高。直到升高到45℃时,他发现了一个不好的事情:天气太冷,水散热的速度,和P控制的加热的速度相等了。

 

这可怎么办?于是,水温永远地停留在45℃,永远到不了50℃。根据常识,我们知道,应该进一步增加加热的功率。可是增加多少该如何计算呢?

 

科学家们想到的方法是真的巧妙。设置一个积分量。只要偏差存在,就不断地对偏差进行积分(累加),并反应在调节力度上。这样一来,即使45℃和50℃相差不太大,但是随着时间的推移,只要没达到目标温度,这个积分量就不断增加。系统就会慢慢意识到:还没有到达目标温度,该增加功率啦!

 

到了目标温度后,假设温度没有波动,积分值就不会再变动。这时,加热功率仍然等于散热功率。但是,温度是稳稳的50℃。

 

kI的值越大,积分时乘的系数就越大,积分效果越明显。

 

所以,I的作用就是,减小静态情况下的误差,让受控物理量尽可能接近目标值。

 

I在使用时还有个问题:需要设定积分限制。防止在刚开始加热时,就把积分量积得太大,难以控制。

 

三、再来看看PID到底怎么调?

 

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,前高后低四比一
一看二调多分析,调节质量不会低

若要反应增快,增大P减小I

若要反应减慢,减小P增大I

如果比例太大,会引起系统震荡

如果积分太大,会引起系统迟钝

 

武汉华嵌科技(www.embedhq.org)——10年专注嵌入式技术研发与培训服务。

 

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