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第1章 PID 算法及 PWM 控制技术简介 PID 算法控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分,整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。目前提出的控制算法有很多。根据偏差的比例(P )、积分(I )、微分(D )进行的控制,称为 PID 控制。实际经验和理论分析都表明, PID 控制能够满足相当多工业对象的控制要求,至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。下面分别介绍模拟 PID 、数字 PID 及其参数整定方法。 模拟 PID 在模拟控制系统中, 调节器最常用的控制规律是 PID 控制,常规 PID 控制系统原理框图如图 所示,系统由模拟 PID 调节器、执行机构及控制对象组成。 模拟 PID 控制系统原理框图 PID 调节器是一种线性调节器,它根据给定值)(tr 与实际输出值)(tc 构成的控制偏差: )(te =)(tr -)(tc ( ) 将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量,对控制对象进行控制,故称为 PID 调节器。在实际应用中,常根据对象的特征和控制要求,将 P 、I 、D 基本控制规律进行适当组合,以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如,P 调节器, PI 调节器, PID 调节器等。模拟 PID 调节器的控制规律为] )()( 1)([)( 0 dt t deT dtteT teKtu D tI p????( ) 式中, PK 为比例系数, IT 为积分时间常数, DT 为微分时间常数。简单的说, PID 调节器各校正环节的作用是: (1) 比例环节:即时成比例地反应控制系统的偏差信号)(te ,偏差一旦产生, 调节器立即产生控制作用以减少偏差; ( 2) 积分环节:主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 IT , IT 越大,积分作用越弱,反之则越强; (3) 微分环节: 能反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号的值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。由式 可得,模拟 PID 调节器的传递函数为) 11()( )()(STST KSE SUSD DI P????(1 .3 ) 由于本设计主要采用数字 PID 算法,所以对于模拟 PID 只做此简要介绍。 数字 PID 在 DDC 系统中,用计算机取代了模拟器件,控制规律的实现是由计算机软件来完成的。因此,系统中数字控制的设计,实际上是计算机算法的设计。由于计算机只能识别数字量,不能对连续的控制算式直接进行运算,故在计算机控制系统中,首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。为将模拟 PID 控制规律按式( )离散化,我们把图 中)(tr 、)(te 、)(tu 、)(tc 在第 n 次采样的数据分别用)(nr 、)(ne 、)(nu 、)(nc 表示,于是式( )变为:)(ne =)(nr -)(nc ( ) 当采样周期 T 很小时 dt 可以用 T 近似代替,)(t de 可用)1()(??nene 近似代替, “积分”用“求和”近似代替,即可作如下近似 T nenedt tde)1()()(???( )???? t niTie dtte 01)()( (