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作者：鳳舞天 PID算法網(wǎng)上不少，往往都是基于數(shù)學(xué)模型，在實(shí)際中導(dǎo)致使用難的問(wèn)題，而數(shù)學(xué)模型屬于理想的，沒有深入本質(zhì)講解，本文從控制學(xué)的基礎(chǔ)講解。 我們看一個(gè)生活例子，冬天洗熱水澡，需要先放掉一段時(shí)間的冷水，因?yàn)樗芾镉幸欢卫渌�，熱水器也需要一個(gè)加熱過(guò)程，等過(guò)了這段時(shí)間之后水溫有些接近目標(biāo)值后，開始調(diào)節(jié)水龍頭來(lái)調(diào)節(jié)冷、熱水之間的比例及出水量，之后再慢慢的微調(diào)，在洗浴過(guò)程中感覺溫度不合適，再一點(diǎn)點(diǎn)的調(diào)節(jié)。這個(gè)過(guò)程，其實(shí)就是PID算法過(guò)程。我們之所以微調(diào)，是因?yàn)樗疁氐淖兓俣扰c我調(diào)節(jié)的速度不相匹配，存在一個(gè)滯后效應(yīng)，我們需要調(diào)節(jié)一點(diǎn)點(diǎn)，等一下再感覺一下溫度，不夠再條件一點(diǎn)點(diǎn)，再感覺，這個(gè)過(guò)程就叫PID算法，也可以說(shuō)，滯后效應(yīng)是引入PID的原因。 失去的能否找回來(lái)？能、只是我找回了紐扣，卻發(fā)現(xiàn)衣服已經(jīng)不再了。這個(gè)就是滯后效應(yīng)。 負(fù)反饋系統(tǒng)，都有滯后效應(yīng)，但為什么運(yùn)放、電源這類的卻從來(lái)不提PID算法呢？這是因?yàn)檫@類系統(tǒng)的滯后延時(shí)時(shí)間非常短，若考慮這個(gè)延時(shí)，負(fù)反饋引入180度相位，延時(shí)恰好引入180度相位，則完全可能引起振蕩。問(wèn)題在于這個(gè)延時(shí)時(shí)間足夠短，它的諧振頻率點(diǎn)比較高，以運(yùn)放為例，加入延時(shí)加上負(fù)反饋引起的諧振點(diǎn)為10MHz，但這顆運(yùn)放的頻率響應(yīng)是1MHz，則在10MHz下完全不可能導(dǎo)致振蕩，因?yàn)檫@個(gè)芯片的頻響特性只有1MHz。我們常用的線性電源IC，比如SOT23封裝的LDO，假如輸出不加電容，就會(huì)輸出一個(gè)振蕩的波形，相對(duì)來(lái)說(shuō)電源IC的滯后效應(yīng)比運(yùn)放要大，但是，因?yàn)殡娫匆话愫竺娑家哟箅娙莸�，它的頻響特性很低，接近直流0Hz，所以當(dāng)有電容時(shí)候，就無(wú)法振蕩了。 而工業(yè)控制領(lǐng)域，比如溫度等，都是滯后效應(yīng)很嚴(yán)重的，往往都是mS，甚至是10mS級(jí)別的，若直接用負(fù)反饋，因?yàn)榧?lì)與反饋的不同步，必然導(dǎo)致強(qiáng)烈的振蕩，所以為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要引入PID算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)這類滯后效應(yīng)嚴(yán)重系統(tǒng)的負(fù)反饋控制，我們以高頻感應(yīng)加熱設(shè)備加熱工件，從常溫25度加熱到700度為例做說(shuō)明： 1、25~600度，100%的全功率加熱工件，這是因?yàn)闇夭钐螅捌谝β�，先加熱到靠近目�?biāo)溫度。之所以考慮在600度，是因?yàn)闇笮?yīng)，若設(shè)定太高，當(dāng)發(fā)現(xiàn)接近700度再停下來(lái)，但實(shí)際上，溫度會(huì)沖過(guò)700度。當(dāng)然，600度是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，以下幾個(gè)溫度點(diǎn)都是經(jīng)驗(yàn)值，根據(jù)實(shí)際情況而來(lái)。 2、600以上，開啟P算法，P就是根據(jù)測(cè)量值與目標(biāo)值的誤差來(lái)決定負(fù)反饋的大小。P算法公式：反饋 = P * (當(dāng)前溫度-目標(biāo)溫度)。但因?yàn)樨?fù)反饋是基于存在誤差為前提的，所以P算法導(dǎo)致一個(gè)問(wèn)題，永遠(yuǎn)到不了想要的值：700度。因?yàn)榈搅?00度，反饋值就沒有了。P算法的開啟，進(jìn)一步逼近了目標(biāo)溫度，假設(shè)穩(wěn)態(tài)下可以達(dá)到650度，這樣就算因?yàn)闇笮?yīng)導(dǎo)致的延時(shí)，也不會(huì)超過(guò)700度太多。 3、當(dāng)達(dá)到P算法的穩(wěn)態(tài)極限650度附近的時(shí)候，比如640度，就應(yīng)該開啟另外一個(gè)算法解決P算法引起的極限誤差，那就是I算法。I算法就是為了消除這個(gè)P算法導(dǎo)致的誤差值，畢竟我們想要的是700度，而不是650度。I算法，本質(zhì)上講就是獲取一個(gè)700度下對(duì)應(yīng)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)值，之后用這個(gè)驅(qū)動(dòng)值來(lái)取代P算法，那么我們?cè)趺吹玫竭@個(gè)驅(qū)動(dòng)值呢，唯一的手段就是把之前的誤差都累加起來(lái)，最后得到一個(gè)期望值，這個(gè)期望值就是我們想要的驅(qū)動(dòng)值。因?yàn)橹灰c目標(biāo)值存在誤差，那么把這些誤差值積累起來(lái)再去反饋控制，就能一步步的逼近目標(biāo)值，這如同水溫不夠高，再加一點(diǎn)點(diǎn)熱水，不夠高再加，這樣總能達(dá)到想要的水溫。值得注意的是，I算法不能接入太高，必須要在P算法的后期介入，不然很容易積累過(guò)大。這個(gè)時(shí)候可以引入一個(gè)誤差門限，比如誤差為60，當(dāng)作6來(lái)處理，誤差為50，當(dāng)作5來(lái)處理，消除大的誤差值，具體根據(jù)項(xiàng)目情況決定。 4、當(dāng)I算法把工件溫度加熱到很接近目標(biāo)溫度后，那么可以調(diào)節(jié)的范圍就很小了，最后一點(diǎn)點(diǎn)的微動(dòng)，讓調(diào)節(jié)的每一次的變化，不要太大，這就是D算法。D算法本質(zhì)上講就是反對(duì)劇烈的變化，所以適用于達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)候。 PID算法其實(shí)不復(fù)雜，但從目前看，很多人都是因?yàn)閷?duì)這三者的使用條件不了解導(dǎo)致的問(wèn)題，都是從加熱一開始，三個(gè)要素都上，結(jié)果可想而知。P算法是溫度接近目標(biāo)值的時(shí)候用，I算法是在P算法到穩(wěn)態(tài)極限的時(shí)候用，D算法是達(dá)到目標(biāo)值附近的時(shí)候用。實(shí)際項(xiàng)目中，D算法一般不用，效果不大。假如非要找一個(gè)現(xiàn)實(shí)中對(duì)應(yīng)的實(shí)物，那么以開關(guān)電源為例，TL431基準(zhǔn)電源比較器可以認(rèn)為是P，輸出濾波電容C是I，輸出濾波電感是D，兩者完全等價(jià)。它們各自的應(yīng)用工作點(diǎn)可以認(rèn)為：假設(shè)目標(biāo)溫度700度，600~800度：P算法；640~760度：I算法；690~710度：D算法。具體值，以實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)，數(shù)據(jù)僅供參考。 |
