自校正pid算法变参量控制算法和传统PID控制算法有什么区别

点击联系发帖人 时间：2018-10-10 02:31

自校正pid算法

　　摘要：在实际工业过程控制中，许多被控过程机理较复杂，具有非线性、慢时变、纯滞后等特点，这给其控制带来了极大的困难。针对这一问题，采用自调整模糊PID控制算法对其进行控制，在传统PID控制器的基础上加入了模糊推理机制，由于模糊控制无需对象的精确模型，因此其具有很好的自适应特性，并且能够克服非线性因素带来的影响，具有较强的鲁棒性。
　　关键词：PID控制自调整模糊PID控制模糊推理机制
　　PID控制器广泛应用于冶金、机械、热工、化工等工业过程控制中，对于具有线性特性的确定的被控对象，调试整定好PID控制器参数、、后，便可投入生产运行，其控制原理与控制技术已完善成熟，具有结构简单、稳定性能好、可靠性高的特点。
　　在实际工业过程控制中，由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，模糊理论是解决这一问题的有效途径，所以人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息如评价指标、初始PID参数等作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况即专家系统的输入条件，运用模糊推理，即可自动实现对参数的最佳调整，这就是自调整模糊PID控制。
　　常规PID控制器是过程控制中应用最广泛的控制器，它具有结构简单、稳定性好、可靠性高的特点，其结构如图1所示。它的控制性能依赖于PID控制器的3个参数以及系统的数学模型，其局限性是不能在线整定参数，并且对难以建立数学模型、非线性、大滞后和时变的系统不能进行很好的控制。
　　PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值: 与实际输出值构成偏差将偏差比例、积分和微分控制，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为：
　　其传递函数形式为：
　　其中，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。
　　1.2自调整模糊PID控制器
　　采用自调整模糊PID控制，不仅能实现精确控制，而且还具有较强的适应性，因此可以更有效的实现人的控制策略和经验。
　　自调整模糊PID控制器结构图如图2所示。自调整模糊PID控制器以误差和误差变化作为输入，可以满足不同时刻的
　　和对PID参数自整定的要求。
　　PID参数模糊自整定是找出PID三个参数与和之间的模糊关系，在运行中通过不断检测和，根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改，以满足不同和时对控制参数的不同要求，而是被控对象有良好的动、静态性能。
　　1.2.1模糊控制器规则
　　本系统的模糊控制器采用的是单变量二维形式，本系统模糊控制器的输入为偏差和偏差变化率，输出为PID参数的增量。
　　从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，的作用[2]如下：
　　在偏差较大时，为了尽快地消除偏差影响，提高响应速度，
　　取值较大，取较小值；在偏差较小时，为了继续消除偏差影响，并且防止超调现象过大，产生振荡，取值要相应减小，取值较小；在偏差很小时，为了消除静态误差，克服超调现象，使得系统尽快稳定，取值要继续减小，取值不变或者稍微取大些。
　　偏差变化的大小表明偏差变化的速率，越大时，取值越小，取值越大；反之，越小时，取值越大，取值越小。
　　微分作用类似于预见性，它阻止偏差的变化，有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的动作速度，减小调整时间，改善系统的动态性能。因此，在偏差较大时，取小值。
　　模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对三个参数分别整定的模糊控制表[3]。

}

1，PID是一个闭环控制算法。因此要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是得有反馈。比如控制一个电机的转速，就得有一个测量转速的传感器，并将结果反馈到控制路线上，下面也将以转速控制为例。
2，PID是比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法。但并不是必须同时具备这三种算法，也可以是PD,PI,甚至只有P算法控制。我以前对于闭环控制的一个最朴素的想法就只有P控制，将当前结果反馈回来，再与目标相减，为正的话，就减速，为负的话就加速。现在知道这只是最简单的闭环控制算法。
3，比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法各有作用：
     比例，反应系统的基本（当前）偏差e(t)，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；
     积分，反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无误差；
     微分，反映系统偏差信号的变化率e(t)-e(t-1)，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。
积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。

4，控制器的P,I,D项选择。

下面将常用的各种控制规律的控制特点简单归纳一下：

1、比例控制规律P：采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。如：金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水池水位控制；油泵房中间油罐油位控制等。
2、比例积分控制规律(PI)：在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。如：在主线窑头重油换向室中F1401到F1419号枪的重油流量控制系统；油泵房供油管流量控制系统；退火窑各区温度调节系统等。
3、比例微分控制规律(PD)：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。如：加热型温度控制、成分控制。需要说明一点，对于那些纯滞后较大的区域里，微分项是无能为力，而在测量信号有噪声或周期性振动的系统，则也不宜采用微分控制。如：大窑玻璃液位的控制。
4、例积分微分控制规律(PID)：PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制等。

鉴于D规律的作用，我们还必须了解时间滞后的概念，时间滞后包括容量滞后与纯滞后。其中容量滞后通常又包括：测量滞后和传送滞后。测量滞后是检测元件在检测时需要建立一种平衡，如热电偶、热电阻、压力等响应较慢产生的一种滞后。而传送滞后则是在传感器、变送器、执行机构等设备产生的一种控制滞后。纯滞后是相对与测量滞后的，在工业上，大多的纯滞后是由于物料传输所致，如：大窑玻璃液位，在投料机动作到核子液位仪检测需要很长的一段时间。

总之，控制规律的选用要根据过程特性和工艺要求来选取，决不是说PID控制规律在任何情况下都具有较好的控制性能，不分场合都采用是不明智的。如果这样做，只会给其它工作增加复杂性，并给参数整定带来困难。当采用PID控制器还达不到工艺要求，则需要考虑其它的控制方案。如串级控制、前馈控制、大滞后控制等。

6，问题。Kp,Ti,Td三个参数的设定是PID控制算法的关键问题。一般说来编程时只能设定他们的大概数值，并在系统运行时通过反复调试来确定最佳值。因此调试阶段程序须得能随时修改和记忆这三个参数。

7，参数的自整定。在某些应用场合，比如通用仪表行业，系统的工作对象是不确定的，不同的对象就得采用不同的参数值，没法为用户设定参数，就引入参数自整定的概念。实质就是在首次使用时，通过N次测量为新的工作对象寻找一套参数，并记忆下来作为以后工作的依据。8，pid算法流程图：

以下内容转载自：电机控制算法_追风星空_新浪博客

制作小车一些资料或许正在制作的朋友有所启发。记不得这是以前查资料制作时从哪里找到的了。在没有了解自控以前，对于寻迹小车只知道一种调节方法，就是比例调节，即向左偏就向右调节，向右偏就向左调节，最容易想到，也是最容易用软硬件实现的，但是结果也是最容易出问题的。当时的感觉就是小车太灵敏了，忽左忽右，不是很稳定。后来查了资料后知道了其他的调节方式。

电机控制算法的作用是接受指令速度值，通过运算向电机提供适当的驱动电压，尽快地和尽快平稳地使电机转速达到指令速度值，并维持这个速度值。换言之，一旦电机转速达到了指令速度值，即使在各种不利因素(如斜坡、碰撞之类等使电机转速发生变化的因素)的干扰下也应该保持速度值不变。为了提高机器人小车控制系统的控制精度，选用合适的控制算法显得十分必要。控制算法是任何闭环系统控制方案的核心，然而并非越复杂、精度越高的算法越好，因为比赛要求非常高的实时性，机器人必须在非常短的时间内作出灵敏的反应，所以现代的一些先进控制算法，比如模糊控制、神经元网络控制等就不能应用到小车控制系统里。本系统选用了最常规、最经典的PID控制算法，通过实际应用取得了很好的效果。

上一段程序中的SetPWM()函数并非将CV值作为绝对的PWM占空比来对待。否则，不断降低的偏差值会使输出值接近零，而且由于电机工作时需要持续的PWM信号，控制系统将会使电机稳定在低速运转状态上，从而导致控制系统策略失败。
相反，CV值一般被取作当前PWM占空比的改变量，并被附加到当前的PWM占空比上。这也要求SetPWM()函数必须将相加后得到的PWM占空比限制在0%~100%。正的CV值将使电机两端电压增加。负的CV值将使电机两端电压降低。如果CV值等于0，则无需改变但前占空比。较低的K 值会使电机的速度响应缓慢，但是却很平稳。较高的K 值会使速度响应更快，但是却可能导致超调，即达到稳定输出前在期望值附近振荡。过高的K 值会导致系统的不稳定，即输出不断震荡且不会趋于期望值。

由于积分项会越来越大，这就会使控制回路在SP值的改变时响应变慢，某些应用场合在CV值达到取值边界(如为：-100~100)时会停止累加Isum。在SP值改变时，也可以除去Isum项。

鉴于有些同学对无刷电机的不了解，以及缺乏相关知识，现发一个电机工作原理的说明，希望有所帮助。

直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。

此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，PWM)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。

2、直流无刷电机的控制结构

直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响：

N=120．f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。

直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。

电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器 (inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂 (Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall- sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。

要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器 (inverter)中功率晶体管的顺序，如下（图二） inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。

基本上功率晶体管的开法可举例如下：

但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。

将电源线的其中一条拔起后，将电表（请先调至安培档）的一端接至驱动器的电源CONNECTOR其中一接脚，另一端则接至电源插座的另一接脚，如此即可测量出在现阶段的负载下所必须耗费的电流值，之后再依此电流值来对照电机的电流/扭力对照表，如此即可得知目前的负载状况是正常或是否有过载的情形发生。

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机器人学代表了当今集成度高、具有代表性的高技术领域，它综合了多门学科。其中包括机械工程学、计算机技术、控制工程学、电子学、生物学等多学科的交叉与融合，体现了当今实用科学技术的先进水平。

一般而言，机器人由几大部分组成，分别为机械部分（一般是指通过各关节相连组成的机械臂）、传感部分（包括测量位置、速度等的测量装置），以及控制部分（对传感部分传来的测量信号进行处理并给出相应控制作用）。

作为机器人的“大脑”，机器人控制技术的重要性不言而喻

它主要是通过传感等部分传送的信息，采用控制算法，使得机械部分完成目标操作而承担相应控制功能对应的部分。最终的目的是尽可能减小机器人实际运动轨迹与期望目标的偏差，达到理想的运动精度。

机器人控制器是一个计算机控制系统，它以机器人控制技术为理论，同时还要配合机器人的运动学和动力学建模。这时，我们就将一个复杂、抽象的物理模型转换成了相对清晰、具象的数学模型，一经建立，那么我们就在一定程度上就把控制问题从具体的机器人装置中分离出来，从而对其进行进一步地认识。

随着机器人相关科学技术的演进，控制算法也逐渐变得丰富起来，产生了诸如自适应控制、自校正控制、鲁棒控制、变结构控制、非线性系统控制、预测控制等众多新型控制策略。

但是，在众多优秀的控制算法中，最为活跃的当属PID（比例、积分、微分）控制，许多先进的控制策略也都是基于PID控制算法的基础上发展出来的。

在生产过程系统控制的发展历程中，PID控制是历史最悠久生命力最强的基本控制方式之一。在20世纪40年代以前除在最简单的情况下可以采用开关控制外，它是唯一的控制方式。

20世纪，通信技术、电子技术开始发展。同时战争、工业也成为了推动力，自动控制技术与自动控制理论开始快速发展。PID的诞生源于人类对于反馈系统的相关研究。

20世纪20年代，美国贝尔电话实验室的科学家本逐步建立了反馈控制系统的频率特性分析方法。贝尔实验室具有通信背景的工程师们往往很熟悉频域方法。

1932年，奈奎斯特（H·Nyquist）发表论文，采用图形的方法来判断系统的稳定性。这套方法，后来也用于自动控制系统的分析与设计。之后，反馈控制原理开始应用于工业过程。

1934年美国麻省理工的赫曾教创立了伺服控制理论，首次提出轨迹跟踪在反馈控制中的重要性。两年后，英国的考伦德（A·Callender）和斯蒂文森（A·Stevenson）等人给出了PID控制器的方法。

简单说来，PID控制的优点有三：

技术成熟，控制效果优良；

适应性强，对于各种过程控制对象，PID算法几乎都符合要求；

其中，鲁棒性（Robustness）指，它反映反馈控制系统具有承受这一类不确定性影响的能力。简单来说，当鲁棒性较好就是指当机器人的某些物理特性产生变化时，PID算法仍能够将机器人的姿态控制在合理范围内。

一方面，PID成本低廉，易于操作；另一方面，绝大部分控制对象可以直接使用PID控制，而不必深究其模型机理，因其较强的鲁棒性可保证系统的性能指标满足基本要求。

一般意义上，PID控制器是线性控制器。PID控制的含义是，将经过反馈后得到的误差信号分别进行比例P、积分I和微分D运算后再叠加得到控制器输出信号。在实际工作过程中，系统给出给定值（也可称为期望值），测量环节测量出的实际输出值反馈给系统，且将与期望值产生偏差e。而PID控制器的作用就是纠正该偏差e。

在具体应用时，我们可具体问题具体分析，根据实际需要选择P、PI、PD、PID不同的组合方式。实际操作过程中，机器人的控制系统调试过程的关键便在于调节比例、积分、微分这三个环节的系数。

有了算法，该如何与机器人结合呢？

我们举个例来说明。我们以轮式机器人为例，为了使得机器人可以敏捷、稳定地行走，我们需要对驱动机器人本体的伺服电机进行控制，那么首先需要对伺服驱动器本身的PID进行调节。然后，为了控制效果更精确，系统还会采用开放式多轴运动控制器（PMAC），而该控制卡也可以进行PID调节，这种机器人的控制系统可简化成如下流程。

那么，这比例、积分、微分这三个环节在机器人系统中究竟起到怎样的作用呢？

三个环节各有各的特色，让我来分别看一下：

比例P：它可以反映机器人“当前”的行进速度与控制人员给定值之间的偏差，KP越大，系统调节的就越快，但是过大之后就会导致机器人运动不稳定；

积分I：它可以反映机器人的“累计”偏差，只要有误差，积分环节就会调节，最后会调整使得系统无偏差，即使得机器人达到操作人员给出的运动状态；

微分D：它可以“提前”预见机器人运动偏差的趋势，在还没有形成以前，超前地消除误差；

三个环节中，积分I环节和微分D环节不能单独使用，必须结合比例P环节一起使用才行。

在该系统中，操控人员通过电脑与机器人进行人机交互，给出相应的控制指令（比如停止、前进等），伺服驱动的PID对伺服电机进行初步控制，伺服电机的测量信号反馈给开放式多轴运动控制器，然后该控制器的PID会对系统进行再次细调，使伺服电机运行得更平稳，从而完成控制人员对轮式机器人的各种操作指令。

自计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成控制系统。为了方便计算机计算，PID还可以采用增量式表达。对于机械部件来说，这样做大有裨益，计算机每次只输出控制增量即可，这样做便降低了机器人故障发生时的影响，并能实现无扰切换，同时PID控制也变得更加灵活了。

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