PID真有那么神吗？

Tobey

PID真有那么神吗？ [复制链接]

 

由于需要采用PID调节实现伺服系统的温度控制，最近查阅了相关资料，

然而对于PID调节还是有许多困惑：

开发环境：
        开发工具：keil V5.20，
        硬件设备：STM32F103C8T6，ADS1248 ，PT100


目标伺服系统特点：
1、采用电炉丝进行加热，在可控硅的作用下，通过调
      节PWM通道的占空比实现伺服系统的温度控制。
2、存在一个上电便开始转动的风扇一直向电炉丝吹风
3、存在一个散热门，用于堵住进风口和出风口，当门
     闭合时会有部分空气流通，当门开启时，由于风扇
     的作用，大量室内空气被吸入伺服系统，同时大量
     热空气（伺服系统内的空气）在出风口被排出
4、风扇的转动产生了一个循环，室内空气不断的被吸
     入伺服系统，同时伺服系统内地热空气也在不断的
     被排出，吸入与排出的空气量由散热门的开口大小     决定。

困惑：
1、参数整定
无论是是书上还是网上的资料，都是进行一次整定后PID控制器即可投入
使用，基于当前测试结果，（1）随着设定值的不同，温度值越高，加热
时所需PWM占空比将增大；（2）当室温不同时（冬季温度低），散热效
果区别明显，冬季散热快，
那么，在指定的某个特定温度值及当前环境下所获得的PID控制器的参数，
是否可以在上述两个条件改变时都适用呢？
2、超调
在工业控制领域，部分仪器是不允许出现超调的，例如当前的伺服系统就
要求不能出现超调，在使用PID调节时，如何才能既保证响应速度，使伺服
系统快速稳定，同时还不能出现超调呢？
3、降温
许多PID的资料中在进行参数整定、控制上均为升温过程，那么，想要实现
降温，同时降温的温度还不能比设定值低～此时该如何才能确保PID调节既
能在升温过程中不出现超调，又能在降温过程中不出现降温过程的超调呢？

chunyang

关于参数整定，绝大多数情况下并不能一次就可投运，需要根据实验调整参数，往往需要多次，尤其是新设计的系统。缺乏整定经验的话，耗时很可能会长很多。就你的描述而言，只要设计到位，一个参数应该能满足，无需根据季节变换参数。
响应速度跟PID参数整定有关，但本质上还是由输入功率的大小决定，而超调跟参数整定也相关，但对于具有大滞后环节的温控系统而言，很难保证满足快速的前提下不超调。解决办法是利用一个独立的辅助算法，在进入预设区时给控制器一个适当的信号，控制器据此做出反应，降低输入功率，极限时甚至可以关闭输出，作用类似一个“保险丝”。
降温需要单独的算法，当然也可以用PID，但参数将截然不同，因为降温时系统的数学模型跟升温时完全不同，连执行器都不一样，但应对原则和技术手段是相通的。

雨后的梧桐

也可以在不同环境下测试所得的参数，将其存储在程序中，当环境监测大概在什么情况下时调用就可以了啊，也可以说是一次指定参数吧。

Tobey

chunyang 发表于 2016-10-14 23:14
关于参数整定，绝大多数情况下并不能一次就可投运，需要根据实验调整参数，往往需要多次，尤其是新设计的系 ...

嗯，并没有这方面的经验，都是刚接触不久的，本身学的专业就是属于偏软件的，，，
第一次采用的方法是试凑法，PID调节范围为设定温度的+-5度，由于在全速加热情况下，温度可以上冲8-15度左右，因此在温度距离设定值20度时采用半速加热，当温度进入PID调节范围时再进行调节，以此减少超调量，不知道这种做法否合理？由于本身使用的参数值就很小，Kp=13,Ki=0.38，（采用的是PI调节）虽然超调小，但是达到稳定所需时间非常长，达不到要求～～

查阅了相关资料觉得大概是自己整定有误，于是决定换种方法整定试试，参照网上的介绍，使用Ziegler-Nichols参数表进行整定，这次的PID调节范围为设定温度值的+-20度，在设定值前20度进入PID调节，设定的温度值为110度，得到一个稳定的波形，在119.7度上下波动（见下图），周期为35秒，Kc为63，计算得：Kp=40.95，Ki=2.34，Kd=171.99，将计算所得的参数填入后进行测试，超调量大的离谱～首次超调达到10-20度左右～～


现在已经被整迷糊了～～都开始怀疑是不是该换种方法实现温控了，，，可否给我点建议，，，这种状况下该怎么做？谢谢了！！

对于上述回答，我还是有点疑问：季节变换对PID调节效果不会产生影响吗？为什么？

Tobey

雨后的梧桐 发表于 2016-10-15 15:25
也可以在不同环境下测试所得的参数，将其存储在程序中，当环境监测大概在什么情况下时调用就可以了啊，也可 ...

可是全年温度不断变化，并且温度曲线的非线性也是个问题，需要根据室温整定出多个参数存储于程序中，感觉有点不现实啊，，，原本我的想法是：将温度分段进行整定，并将其值存储于程序中，通过stm32自带的温度传感器获取当前环境温度，根据设定值与所得温度之差得到相对温度，以此决定采用哪个整定参数进行PID调节，，，不过回去想了想，又觉得这个方法不可行，如果真要这么麻烦，感觉PID调节就失去它的作用了，，，

chunyang

PID本身应用的很广泛，是热工控制领域的主流控制算法，但参数整定确实比较麻烦，需要对系统有较深的认识和经验，盲目凑确实很难蒙对。建议你每次开通一个环节，调系数试，弄清楚比例、微分、积分环节的各自作用，然后上两个环节，最终再开启完整的PID，耐心点。

Tobey

chunyang 发表于 2016-10-16 00:39
PID本身应用的很广泛，是热工控制领域的主流控制算法，但参数整定确实比较麻烦，需要对系统有较深的认识和 ...

好的，多谢指导！这两天我先看看相关的书籍吧，，，，
上述还有两个问题麻烦你帮我解答下，谢谢！
1、上述那种在接近控制范围时降低加热功率减少超调量的方式在PID调节中是否合理？
2、季节变换为什么对控制效果产生影响？季节不同，室温不同，从进风口进去的空气温度就不同，
     这将造成降温速度不同，这些因素不会对PID调节产生影响吗？

chunyang

Tobey 发表于 2016-10-16 09:49
好的，多谢指导！这两天我先看看相关的书籍吧，，，，
上述还有两个问题麻烦你帮我解答下，谢谢！
1、 ...

A1：算法设计合理、参数整定到位的话，超调当然是可以控制在一个很低的范围内，绝对不准许超调时，如我在前帖中所言，设置一道“软保险”就是。
A2：季节变化当然会有影响，但只要在设备要求的温度范围内，那么同一算法和参数整定就应该能够适应，否则还怎么能叫做“自动控制系统”？在系统正常时，只有一种可能会令控制系统失效，那就是环境温度超标，超过了调节器能够应对的极限。比如，环境温度已经高于你的控制目标温度，而你的系统内又没有制冷设备。或者，环境温度已经低到即使你100%输出加热功率，系统也无法达到你的控制目标。

apleilx

有 I的存在想实现无超调不大可能，至少会超1个控制粒度，，即便是温度稳定之后，由于环境温度的变化，同样的输出大小也不可能维持的住，，，，牛X到顶天了也只能控制到正负1个测量粒度的变化

Tobey

apleilx 发表于 2016-10-18 14:15
有 I的存在想实现无超调不大可能，至少会超1个控制粒度，，即便是温度稳定之后，由于环境温度的变化，同样 ...

嗯 可以有0.5度的超调（最大限度），