通過(guò)位置跟蹤模型演示PID三個(gè)參數(shù)作用
在自動(dòng)控制中,PID(Proportion-Integrationi-Differentiation:比例-積分-微分)控制算法在近一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)在空城控制領(lǐng)域中占據(jù)了主導(dǎo)地位。它是由蘇聯(lián)工程師Minorsky在1922年在研究艦船自動(dòng)控制領(lǐng)域分析中提出的算法。
PID控制算法是通過(guò)受控對(duì)象的實(shí)際行為和目標(biāo)之間的誤差,通過(guò)比例-微分-積分運(yùn)算再重新作用在被控對(duì)象。
▲ PID控制算法
在工業(yè)控制中,PID控制器可以通過(guò)模擬、數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)。如今工業(yè)應(yīng)用中的98%以上的過(guò)程控制、95%以上的運(yùn)動(dòng)控制還都是用這PID控制算法。
對(duì)于初學(xué)者,掌握PID控制算法參數(shù)調(diào)整非常重要。下面是來(lái)自于公眾號(hào)“芯片之家”中的一個(gè)推文,其中使用了一個(gè)視頻來(lái)演示了PID控制在位置跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用。
位置跟蹤系統(tǒng)的控制對(duì)象是驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的電壓,經(jīng)過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)。
▲ 一個(gè)位置跟蹤PID控制系統(tǒng)
將驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化,考慮它的轉(zhuǎn)速與施加電壓成正比,因此轉(zhuǎn)動(dòng)角度位置就是轉(zhuǎn)速的積分。所以對(duì)象是一個(gè)一階積分慣性系統(tǒng)。
使用普通的比例控制就可以完成無(wú)誤差跟蹤隨著比例系數(shù)增加,跟蹤速度也會(huì)提高,但是也會(huì)出現(xiàn)過(guò)沖震蕩現(xiàn)象。
▲ 只使用比例控制的情況
加入位置的微分(也就是轉(zhuǎn)速)項(xiàng)可以消除震蕩。如果微分項(xiàng)過(guò)大,會(huì)使得位置跟蹤變緩慢。特別由于靜摩擦力的存在,有可能會(huì)使得位置跟蹤出現(xiàn)小的偏差。
▲ 加入微分項(xiàng),可以消除震蕩
加入積分項(xiàng),可以將由于系統(tǒng)的靜態(tài)摩擦所產(chǎn)生的位置偏差徹底消除。但也會(huì)增加系統(tǒng)的震蕩傾向。
所以此時(shí)需要綜合調(diào)整積分、微分的比例系數(shù)。
▲ 只使用I,D控制的效果
綜合調(diào)整PID的系數(shù),可以使得系統(tǒng)跟蹤既快又穩(wěn)。
在很多教科書(shū)中也會(huì)給出一定的調(diào)整順序,或者給出通過(guò)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線來(lái)定量計(jì)算最優(yōu)的PID參數(shù)方法。
▲ 綜合利用PID達(dá)到快速穩(wěn)定的效果
了解到PID參數(shù)與系統(tǒng)誤差之間的物理聯(lián)系,是實(shí)際中應(yīng)用PID調(diào)節(jié)的重要環(huán)節(jié)。
▲ PID控制效果
下面是完整的演示視頻:
注:本文中的動(dòng)圖截取于公眾號(hào)“芯片之家”推文中的視頻。
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