PID 控制器將對閉環(huán)控制環(huán)中的誤差信號進(jìn)行處理并試圖對被控量進(jìn)行調節以獲得期望的系統響應。被控參數可以是任何可測量的系統參量,如轉速、轉矩或磁通。PID 控制器的優(yōu)點(diǎn)在于可根據經(jīng)驗對一個(gè)或多個(gè)增益值進(jìn)行整定并觀(guān)察系統響應變化情況來(lái)確定合理的增益參數。
數字PID 控制器的以周期性采樣方式執行。假定控制器的執行頻率足夠高可以滿(mǎn)足系統控制要求。誤差信號通過(guò)將被控參數的期望設定值減去該參數的實(shí)際測量值來(lái)獲得。誤差的符號表明控制輸入所要求的變化方向。
PID 控制器的比例(P)項由誤差信號乘以P 增益形成,該項使PID 控制器產(chǎn)生的控制響應為誤差幅值的函數(即比例關(guān)系)。當誤差信號增大時(shí),控制器的P 項也將變大以實(shí)現更大的校正效果。P 項的效果是隨著(zhù)時(shí)間變化趨向于使系統總誤差減小。然而,當誤差趨近于零時(shí),P 項的效果將不明顯。在大多數系統中,被控參數的誤差將十分接近于零但并不收斂。因此仍存在小的靜態(tài)誤差。
PID 控制器的積分(I)項用來(lái)消除小的靜態(tài)誤差。I 項將對誤差信號連續累計。因此,隨著(zhù)時(shí)間變化小的靜態(tài)誤差可累計為較大的誤差值。將該累計誤差信號與I 增益因子相乘即可獲得PID 控制器的I 輸出項。
PID 的微分(D)項用于改善控制器的速度并響應誤差信號的變化率。D 項輸入通過(guò)將前一誤差值減去當前誤差值來(lái)獲得。兩者的差值乘以D 增益因子便獲得PID 控制器的D 輸出項。系統誤差變化越快,則控制器的D 項將產(chǎn)生的控制輸出越大。
PID 增益整定
PID 控制器的P增益設定了整個(gè)系統的響應。當開(kāi)始調節控制器時(shí),應將I 和D 增益設置為零。隨后,可增加P 增益直至系統對設定點(diǎn)變化響應良好,沒(méi)有過(guò)大的超調或振蕩發(fā)生。使用較小的P 增益值將使得系統響應較慢,而較大的P 增益值將使得系統響應較快。此時(shí),可能無(wú)法使系統響應收斂到設定值。
在確定合適的P 增益之后,可緩慢增加I 增益值以使系統誤差為零。在大多數系統中只需設置較小的I增益值。需要注意的是,如果I 增益取值過(guò)大,其效果可能抵消P 項的作用,即使得整體控制響應變慢并使系統在設定點(diǎn)附近振蕩。如果發(fā)生振蕩,減小I 增益并增大P 增益通??梢越鉀Q這一問(wèn)題。
D 增益可加快系統響應。然而,在使用該增益時(shí)必須注意,該項可能產(chǎn)生較大的輸出擺動(dòng),從而可能引起電機機械損壞。