PID自整定控制系统设计

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控制器中單时刻输出独立性的，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：

经式（5）和式（6）整理得：

上式中：Kp比例放大系数;Ti积分时间常数;Td微分时间常数。

增量式PID控制的计算量要比位置式PID控制小得多，在实际应用中也比较常见。

2.4 PID控制器参数对控制性能的影响

PID控制器参数的取值决定了PID控制器的质量，其中动态性能和稳态性能起着决定性的作用，PID的整定方法主要是比例环节、积分环节和微分环节的共同整定的结果，下面是比例、积分、微分的作用。

（1）比例作用：比例系数是用来调节速度的，系数越大，调节幅度就越大，偏差减小的趋势更快，这样的后果是容易造成系统的不稳定。选择合适大小的比例系数在整定过程中至关重要。

比例调节的特性曲线如图4所示。

（2）积分作用：主要是用来消除系统稳态误差，只要有稳态误差的存在，积分作用就必须运行，直至系统中稳态误差为零。由于很难消除系统的稳态误差，所以积分作用会影响控制效果，使系统稳定性下降。

积分调节的特性曲线如图5所示。

（3）微分作用：微分主要抑制偏差的产生，当设定好输入值时，微分作用开始工作，将输出值的大小整定到输入值，这就将偏差的大小降低，微分作用還有超前的抑制作用，它能提前预知偏差的走势，在偏差还没生成之前就抑制其产生，可以提高系统稳定性，不会造成参数突变带来的影响。但是微分作用也有其弱点，它也能放大噪声干扰，如果微分作用很强的话，就容易将系统中的噪声放大，降低系统抗干扰能力。

比例积分微分调节特性曲线如图6所示。

2.5 本章小结

本章主要针对位置式PID控制算法与增量量式PID算法在算法公式上做比较，控制原理上没有什么区别，但在整定过程中增量式PID算法有以下优点：

（1）位置式PID算法输出需要联系整个过去的状态，在计算过程中要用到过去误差的累加值，就会有增量误差产生，影响控制精度。增量式PID要保留前三次取样的差值，经过计算机的处理之后，才能达到较好的控制效果。

（2）位置式PID算法从手动切换到自动时，要将计算机的输出值置为原始阀门开度，才能保证系统的稳定和无冲击切换。增量式PID算法与位置式PID算法不同，其输出与原始值无关，在手动切换到自动时，不会影响系统的稳定性。

经过位置式PID与增量式PID算法的对比，可以看出，增量式PID算法比位置式PID算法更有优势，所以本文在参数整定方面选用增量式PID参数整定方法。

3 总结与展望

本课题主要研究的是运用PID参数整定的方法，就现在发展现状而言，PID发展的方向是在参数整定方面，合理地运用比例、积分、微分调节，寻找其中间点，实现参数的快速整定和提高系统稳定性。

近几年来，科学技术在不断更新，如今的控制方式也由人工控制到微机控制的转变。PID调节在未来的工业生产中应用会越来越广泛，例如，棒材轧制生产线中活套高度的PID控制，活套高度作为控制目标，采集现场实际活套高度进行比较后，进行PID调节，调节器输出值叠加到运行的实际转速上，自动调节上游机架级联给定速度，以提高轧制生产的稳定性。

参考文献：

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[3]郭唐仕，尹华杰.Buck变换器的数字模糊PID控制[J].电源技术应用，2002，（1）：23-25.

作者简介：陈金宝（1994— ），男，汉族，宁夏吴忠人，本科，研究方向：连轧棒材调速控制系统。