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PID控制器的调整方法以获得所需的响应
作者: 来源: 发布时间:2018-09-11

     对于所需的输出,必须正确调整PID控制器。通过PID设置从PID控制器获得理想响应的过程称为控制器调整。PID设定意味着设定比例(k p),导数(k d)和积分(k i)响应的增益的最佳值。PID控制器针对干扰抑制装置进行调整,意味着停留在给定的设定点和命令跟踪,意味着如果设定值发生变化,控制器的输出将遵循新的设定值。如果控制器正确调谐,控制器的输出将遵循可变设定值,振荡较小,阻尼较小。

图:PID控制器调谐器的扰动抑制
图:PID控制器调谐器的扰动抑制
 
    有几种方法可以调整PID控制器并获得所需的响应。调节控制器的方法如下:
    试错法;
    过程反应曲线技术;
    Ziegler-Nichols方法;
    中继方法;
    使用软件;
 
    1.试错法:
    试错法也称为手动调整法,这种方法是最简单的方法。在这种方法中,首先增加kp的值直到系统达到振荡响应,但系统不应该变得不稳定并保持kd和ki的值为零。之后,以这样的方式设定ki的值,即系统的振荡停止。之后设置kd的值以便快速响应。
 
    2.工艺反应曲线技术:
    该方法也称为Cohen-Coon调整方法。在该方法中,首先响应干扰产生过程反应曲线。通过该曲线,我们可以计算出控制器增益,积分时间和微分时间的值。通过在过程的开环步骤测试中手动执行来识别该曲线。模型参数可以通过初始步长百分比扰动找到。从这条曲线我们必须找到slop,死区时间和曲线的上升时间,这只是kp,ki和kd的值。
 
    3. Zeigler-Nichols方法:
    在这种方法中,首先还要设置ki和kd的值为零。比例增益(kp)增加,直到达到最终增益(ku)。最终增益只不过是循环输出开始振荡的增益。该ku和振荡周期Tu用于从下表导出PID控制器的增益。
 
设置ki和kd的值为零
 
    4.继电器方式:  
    这种方法也称为Astrom-Hugglund方法。此处输出在控制变量的两个值之间切换,但这些值的选择使得过程必须越过设定值。当过程变量小于设定值时,控制输出设置为较高的值。当过程值大于设定值时,控制输出设置为较低值并形成输出波形。测量该振荡波形的周期和幅度,并用于确定在上述方法中使用的最终增益ku和周期Tu。
 
    5.使用软件:
    对于PID调整和循环优化,可以使用软件包。这些软件包收集数据并建立系统的数学模型。通过该模型,软件从参考变化中找到最佳调整参数。
 
    PID控制器的结构:
    PID控制器基于微处理器技术设计。不同的制造商使用不同的PID结构和方程。最常用的PID方程是; 并联,理想和串联PID方程。
 
    在并行PID方程中,比例,积分和微分动作彼此分开工作,并且这三种动作的组合效果在系统中起作用。这种PID的框图如下所示:
 
图:并联PID控制器框图
图:并联PID控制器框图
 
    在理想的PID方程中,增益常数k p分布到所有项。因此,k p的变化会影响等式中的所有其他项。
 
图:理想的PID控制器框图
图:理想的PID控制器框图
 
    在串联PID方程中,增益常数k p分布到与理想PID方程相同的所有项,但在该方程中,积分和微分常数对比例作用有影响。
图:系列PID控制器框图
图:系列PID控制器框图
 
PID控制器的应用:
    温度控制:
    让我们举一个AC(空调)任何工厂/过程的例子。设定点为温度(20°C),变送器测得的当前温度为28°C。我们的目标是在所需温度(20°C)下运行交流电。现在,AC的控制器根据错误(8?C)产生信号,并将该信号提供给AC。根据该信号,AC的输出改变并且温度降低到25℃。进一步相同的过程将重复,直到温度变送器测量所需的温度。当误差为零时,控制器将向AC发出停止命令,温度将再次升高到某个值,并再次产生错误,并且连续重复相同的过程。
 
    设计太阳能光伏MPPT(最大功率点跟踪)充电控制器:
    PV电池的IV特性取决于温度和辐照度水平。因此,工作电压和电流将随着大气条件的变化而不断变化。因此,跟踪高效PV系统的最大功率点非常重要。为了找到MPPT,使用PID控制器,并将电流和电压设定值提供给控制器。如果大气条件发生变化,该跟踪器会保持电压和电流恒定。
 
    电力电子转换器:
    PID控制器在转换器等电力电子应用中最为有用。如果转换器与系统连接,则根据负载的变化,转换器的输出必须改变。例如,逆变器与负载连接,如果负载增加,更多的电流将从逆变器流出。因此,电压和电流参数不固定,它会根据要求改变。在这种情况下,PID控制器用于产生PWM脉冲,用于切换逆变器的IGBT。根据负载的变化,反馈信号被提供给控制器,它将产生错误。根据误差信号产生PWM脉冲。因此,在这种情况下,我们可以使用相同的逆变器获得可变输入和可变输出。
 

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