PID 控制原理
PID 即比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Derivative)控制。比例环节根据偏差的大小成比例地对系统进行调节,偏差越大,调节作用越强。积分环节用于消除系统的稳态误差,它对偏差进行积分运算,只要存在偏差,积分作用就会持续累积,直到偏差为零。微分环节则根据偏差的变化率来调整控制量,能在偏差变化趋势变大之前就进行抑制,增强系统的稳定性和动态性能。
从比例控制(P)说起,它就像是一个敏锐的观察者。当系统出现偏差,也就是实际值与设定值之间有了差距时,比例控制环节会立即根据这个偏差的大小,成比例地输出一个控制信号。想象一下,偏差如同一个拉力,偏差越大,这个拉力就越强,它能快速地让系统朝着减小偏差的方向移动,仿佛是一个急于纠正错误的急性子。
接着是积分控制(I),这是一个坚韧不拔的纠错者。它对偏差进行积分运算,随着时间的积累,它会把之前所有的偏差都 “记在心里”。即使偏差很小,但只要存在,积分控制就会像一个不知疲倦的长跑者,持续地累积力量,直到把偏差彻底消除,让系统达到没有稳态误差的理想状态。
最后是微分控制(D),这是一个富有前瞻性的智者。它关注的不是偏差本身,而是偏差的变化率。当偏差刚开始变化,还没来得及造成大的影响时,微分控制就能提前察觉这个变化的趋势。就像一个有先见之明的舵手,在风浪还没完全到来之前,就提前调整航向,使系统更加稳定和平滑地运行,有效抑制超调现象。
这三个部分 —— 比例、积分、微分,就像一个默契的团队,协同工作,共同构成了 PID 控制这个强大的控制策略,为各种复杂的控制系统提供精准、稳定的控制。
优势:PID 控制具有结构简单、易于理解和实现的特点。它不需要精确的系统模型,对大多数线性和部分非线性系统都能有效控制。在稳定状态下,能保持较好的控制精度,使系统输出稳定在设定值附近。同时,PID 控制器具有很强的鲁棒性,对系统参数变化和外部干扰有一定的耐受能力。
劣势:PID 控制对于复杂的、高度非线性、时变的系统,其控制效果可能会变差。参数整定较为困难,需要丰富的经验或采用复杂的整定方法。并且,如果参数设置不当,可能会导致系统出现超调、振荡等不稳定现象。
应用场景:在工业领域,广泛应用于温度、压力、流量等过程控制。例如化工生产中的反应釜温度控制,通过 PID 控制器可以精确地维持反应温度。在自动化制造中,对机械臂的运动控制也常用到 PID,保证运动的精度和稳定性。在交通领域,汽车的定速巡航系统也是 PID 控制的典型应用,能使汽车速度稳定在设定值,应对不同路况的干扰。在航空航天领域,部分姿态控制系统也采用了 PID 控制原理,确保飞行器姿态的稳定。
Amesim中PID元件
Amesim中常用的PID控制元件有pid和resetpid。
如下图所示,pid元件与resetpid 两个元件中,在①controller type中可以选择PID应用的类型,其分为PI控制、PD控制、P控制和PID控制,选择相应的控制方式后,在下方会显示相应的参数设置选项。其中若单纯的想使用I控制,可以选择PI或PID控制后,只对I参数进行设置,其余两个参数设置为0即可。
参数中②处的limit output可以对PID的输出值限制进行设置,选择yes后,在③处会出现相应的最大与最小值限制。通过设置最大与最小值的数值大小,来控制PID的输出值范围。
而对于resetpid元件,相较于pid元件多一个重置端口,同时在参数设置中,会出现一个reset signal effect选项,其中有reset和reset and hold两个选项。
Reset:
重置:
The reset signal effect changes the effect of u2 on the dummy state variable for estimating derivative part (w) and the integral part (ipart). The possible effects are:
重置信号效果会改变 u2 对用于估计导数部分 (w) 和积分部分 (ipart) 的虚拟状态变量的影响。可能的效果是:
reset: ipart and w are reset to their initial values when u2 rises from a value lower than 0.5 to a value higher than 0.5.
重置:当 U2 从低于 0.5 的值上升到高于 0.5 的值时,iPart 和 W 将重置为其初始值。
reset and hold: ipart and w are reset and hold to their initial values when u2 rises from a value lower than 0.5 to value higher than 0.5, and until u2 becomes lower than 0.5.
重置并保持:当 U2 从低于 0.5 的值上升到高于 0.5 的值时,iPart 和 W 将重置并保持其初始值,直到 U2 低于 0.5。
参考元素
1 Amesim2304help
2 曾喆昭,刘文珏. "自耦PID控制器." 《自动化学报》 2(2021).
3 "PID控制器简介及参数整定方法." 科技信息 7(2011).