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首页四轴PID算法讲解(单环PID、串级PID).docx
在整定PID参数时,PID三个参数的大小都不是绝对的,而是相对的。也就是说,如果发现一个参数比较合适,就把这个参数固定死,不管别的参数怎么变化,永远不动前 面固定的参数是错误的;如果是串级调节系统,在整定参数时,一般把主、副调隔离开来,先整定一个回路,再全面考虑。一般而言,先整定内回路。把PID参数隔离开来,先去掉积分、微分作 用,让系统变为纯比例调节方式,再考虑积分,最后考虑微分
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正文开始:这篇文章分为三个部分:
PID 原理普及
常用四轴的两种 PID 算法讲解(单环 PID、串级 PID)
如何做到垂直起飞、四轴飞行时为何会飘、如何做到脱控?
PID 原理普及
1、11对自动控制系统的基本要求:1
稳、准、快:
稳定性(P 和 I 降低系统稳定性,D 提高系统稳定性):在平衡状态下,系统受到某个
干扰后,经过一段时间其被控量可以达到某一稳定状态;
准确性(P 和 I 提高稳态精度,D 无作用):系统处于稳态时,其稳态误差;
快速性(P 和 D 提高响应速度,I 降低响应速度):系统对动态响应的要求。一般由过
渡时间的长短来衡量。
2、11稳定性:当系统处于平衡状态时,受到某一干扰作用后,如果系统输出能够恢复到原
来的稳态值,那么系统就是稳定的;否则,系统不稳定。
3、11动态特性(暂态特性,由于系统惯性引起):系统突加给定量(或者负载突然变化)
时,其系统输出的动态响应曲线。延迟时间、上升时间、峰值时间、调节时间、超调量和
振荡次数。
通常:1111上升时间和峰值时间用来评价系统的响应速度;
超调量用来评价系统的阻尼程度;
调节时间同时反应响应速度和阻尼程度;
4、11稳态特性:在参考信号输出下,经过无穷时间,其系统输出与参考信号的误差。影响
因素:系统结构、参数和输入量的形式等
5、11比例(P)控制规律:具有 P 控制的系统,其稳态误差可通过 P 控制器的增益 Kp 来调
整:Kp 越大,稳态误差越小;反之,稳态误差越大。但是 Kp 越大,其系统的稳定性会降
低。
由上式可知,控制器的输出 m(t)与输入误差信号 e(t)成比例关系,偏差减小的速度取决于
比例系数 Kp:Kp 越大,偏差减小的越快,但是很容易引起振荡(尤其是在前向通道中存在
较大的时滞环节时);Kp 减小,发生振荡的可能性小,但是调节速度变慢。单纯的 P 控制
无法消除稳态误差,所以必须要引入积分 I 控制。原因:(R 为参考输入信号,Kv 为开环增
益)
当参考输入信号 R 不为 0 时,其稳态误差只能趋近于 0,不能等于 0。因为开环增益 Kv 不
为 0。

6、1比例微分(PD)控制规律:可以反应输入信号的变化趋势,具有某种预见性,可为系
统引进一个有效的早期修正信号,以增加系统的阻尼程度,而从提高系统的稳定性。(tao
为微分时间常数)
如果系统中存在较大时滞的环节,则输出变化总是落后于当前误差的变化,解决的方法就
是使抑制误差的作用变化“超前”,增强系统的稳定性。
7、11积分(I)控制规律:由于采用了积分环节,若当前误差 e(t)为 0,则其输出信号 m(t)
有可能是一个不为 0 的常量。需要注意的是,引入积分环节,可以提到系统型别,使得系
统可以跟踪更高阶次的输入信号,以消除稳态误差。
8、1比例积分(PI)控制规律:在保证系统稳定的前提下,引入 PI 控制器可以提高它的稳
态控制质量,消除其稳态误差。(TI 为积分时间常数)
积分调节可以消除静差,但有滞后现象,比例调节没有滞后现象,但存在静差。
PI 调节就是综合 P、I 两种调节的优点,利用 P 调节快速抵消干扰的影响,同时利用 I 调
节消除残差。
9、1比例积分微分(PID)控制规律:除了积分环节提高了系统型别,微分环节提高了系统
的动态性能。
观察 PID 的公式可以发现:Kp 乘以误差 e(t),用以消除当前误差;积分项系数 Ki 乘以误差
e(t)的积分,用于消除历史误差积累,可以达到无差调节;微分项系数 Kd 乘以误差 e(t)的微
分,用于消除误差变化,也就是保证误差恒定不变。由此可见,P 控制是一个调节系统中
的核心,用于消除系统的当前误差,然后,I 控制为了消除 P 控制余留的静态误差而辅助存
在,对于 D 控制,所占的权重最少,只是为了增强系统稳定性,增加系统阻尼程度,修改
PI 曲线使得超调更少而辅助存在。
10、P 控制对系统性能的影响:
开环增益越大,稳态误差减小(无法消除,属于有差调节)

过渡时间缩短
稳定程度变差
11、I 控制对系统性能的影响:
消除系统稳态误差(能够消除静态误差,属于无差调节)
稳定程度变差
12、D 控制对系统性能的影响:
减小超调量
减小调节时间(与 P 控制相比较而言)
增强系统稳定性
增加系统阻尼程度
13、PD 控制对系统性能的影响:
减小调节时间
减小超调量
增大系统阻尼,增强系统稳定性
增加高频干扰
14、PI 控制对系统性能的影响:
提高系统型别,减少系统稳态误差
增强系统抗高频干扰能力
调节时间增大
15、P 调节、I 调节降低系统稳定性
D 调节增强系统稳定性
所以 PI 调节器的 P 比 P 调节器的 P 要小一些,PD 调节器的 P 比 P 调节器的 P 要大一些
16、位置式 PID 表达式(数字 PID):
P(n)为第 n 次输出,e(n)为第 n 次偏差值,Ts 为系统采用周期,Ti 为积分时间常数,Td 为微
分时间常数

17、消除随机干扰的措施:
几个采样时刻的采样值求平均后代替本次的采样值
微分项的四点中心差分(e(n)-e(n-3)+3e(n-1)-3e(n-2))*1/(6Ts)
矩形积分改为梯形积分111
18、PID 调试一般原则
在输出不振荡时,增大比例增益 P
在输出不振荡时(能消除静态误差就行),减小积分时间常数 Ti
在输出不振荡时,增大微分时间常数 Td
19、描述比例 Kp 的性能:比例带。比例带就是 Kp 的倒数:比例带越大,Kp 越小,无超调,
稳态误差大,调节时间长;比例带越小,Kp 越大,系统会有超调,甚至发散,稳态1误差减
小,调节时间缩短
20、描述积分 Ki 的性能:积分时间常数 Ti。与积分系数 Ki 也是倒数关系:积分时间常数 Ti
越大,积分系数 Ki 越小,系统稳定性增加,但是调节速度变慢;积分时间常数 Ti 越小,
积分系数 Ki 越大,系统稳定性降低,甚至振荡发散。无论增大还是减小积分时间常数 Ti,
被调量最后都没有静差。
21、描述微分 Kd 的性能:微分时间常数 Td。主要用于克服调节对象有较大的时滞。Td 越
大,微分作用越强,系统阻尼程度增加。
22、比例 P 调节作用:
系统一旦出现偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差
比例作用大,可以加快调节,减少调节时间,减少稳态误差
过大的比例作用,使系统的稳定性下降
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