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1、第四章第四章 PID PID微机控制微机控制 4.1 PID4.1 PID控制器数字化控制器数字化 4.2 PID4.2 PID算法优化算法优化4.3 PID4.3 PID参数整定方法参数整定方法4.4 PID4.4 PID控制系统实例控制系统实例 4.1 PID4.1 PID控制器数字化控制器数字化模拟模拟PIDPID控制器控制器PIDPID控制器的理想化方程为：控制器的理想化方程为：PID PID调节器调节器:按偏差的比例，积分和微分进行控制的调节器。按偏差的比例，积分和微分进行控制的调节器。式中，式中，e e(t t)为控制器输入信号，一般为输入信号与反馈信号之差；为控制器输入信号，一般
2、为输入信号与反馈信号之差；u u(t t)为控制器输出信号，一般为给予受控对象的控制信号；为控制器输出信号，一般为给予受控对象的控制信号；K Kp p为控为控制器放大系数；制器放大系数；T Ti i为控制器积分时间常数；为控制器积分时间常数；T Td d为控制器微分时间常为控制器微分时间常数。数。4.1.2 PID4.1.2 PID控制算法的数字实现控制算法的数字实现l计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量算控制变量u u。因此模拟。因此模拟PIDPID控制算法公式中的积分项和微分项控制算法公式中的积分项和微分项不
3、能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近。不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近。单片微机闭环控制系统框图单片微机闭环控制系统框图当采样时间当采样时间T T很小时，可以通过离散化，将这一方程直接化为差分很小时，可以通过离散化，将这一方程直接化为差分方程。用一阶差分代替一阶微分，用累加代替积分。这时可用矩形方程。用一阶差分代替一阶微分，用累加代替积分。这时可用矩形或梯形积分来连续积分的近似值。用矩形积分时得：或梯形积分来连续积分的近似值。用矩形积分时得：位置算法位置算法 k k-1-1次采样的输出为次采样的输出为:式中式中:k k次采样的输出为次采样的输出为:两式相减两式相减增量式控制的优点
4、：增量式控制的优点：（1 1）计算机只输出增量，误差动作影响小。）计算机只输出增量，误差动作影响小。（2 2）算式中不需要累加，增量字与最近几次采样值有关。）算式中不需要累加，增量字与最近几次采样值有关。（3 3）任何故障，或者切换时，冲击小）任何故障，或者切换时，冲击小 。位置式或增量式算法框图位置式或增量式算法框图增量式增量式PIDPID算法算法 增量式增量式PIDPID控制：只计算控制量的变化量。控制：只计算控制量的变化量。增量式增量式PIDPID算法算法如果用梯形积分形式逼近连续积分，则得如果用梯形积分形式逼近连续积分，则得减去相应的减去相应的u u(k k-1)-1)后，又得到一个如
5、下的递推关系式：后，又得到一个如下的递推关系式：式中：式中：因此，如果已知模拟因此，如果已知模拟PIDPID控制器参数控制器参数K Kp p，T Ti i和和T Td d，那么在采样时间很，那么在采样时间很短的情况下，可以从短的情况下，可以从K Kp p，T Ti i和和T Td d计算出参数计算出参数q q0 0，q q1 1和和q q2 2。4.2 PID4.2 PID算法优化算法优化4.2.1 PID4.2.1 PID积分分离控制积分分离控制 在一般的在一般的PIDPID控制方式中，在开始或停止工作的瞬间，控制方式中，在开始或停止工作的瞬间，或者大幅度地给定量时，由于偏差较大，故在积分项
6、的作用或者大幅度地给定量时，由于偏差较大，故在积分项的作用下，将会产生一个很大的超调。下，将会产生一个很大的超调。积分分离作用曲线比较积分分离作用曲线比较4.2 PID4.2 PID算法优化算法优化可以采用积分分离手段，即在被控制量开始跟踪时，取消积分可以采用积分分离手段，即在被控制量开始跟踪时，取消积分作用，直到被控制量接近新的给定值时，才可以在作用，直到被控制量接近新的给定值时，才可以在PIDPID算式中，算式中，引入如下的算法逻辑功能。引入如下的算法逻辑功能。K Ki i为引入的逻辑系数：为引入的逻辑系数：可变增量可变增量PIDPID控制控制可变增益可变增益PIDPID控制器可等效。控制
7、器可等效。PID PID u=fu=f(e e)mm m m（t t）工业控制系统有时会提出这样的要求，工业控制系统有时会提出这样的要求，PIDPID算法的增益是可变的，以补偿手算法的增益是可变的，以补偿手控过程的非线性因素。控过程的非线性因素。4 4控制算法为：控制算法为：e e（t t）u u（t t）可变增益可变增益PIDPID方框图方框图l 其结构图相当于其结构图相当于PIDPID控制器再控制器再串联一个非先性函数部分。实现串联一个非先性函数部分。实现可变增益可变增益PIDPID算法的程序流程图。算法的程序流程图。所示由于微机实现非线性算法十所示由于微机实现非线性算法十分方便。因此得到
8、了广泛应用。分方便。因此得到了广泛应用。l 自适应控制理论的发展也相自适应控制理论的发展也相应的促进了应的促进了PIDPID控制器的应用。这控制器的应用。这种控制器能够适应受控对象特性种控制器能够适应受控对象特性大范围的变化。大范围的变化。可变增量可变增量PIDPID控制控制图图4.5 4.5 可变增益可变增益PIDPID算法程序流程图算法程序流程图时间最优的时间最优的PIDPID控制控制时间最优控制又称快速控制，既控制系统的给定值由一个状态时间最优控制又称快速控制，既控制系统的给定值由一个状态运动到另一个状态所经历的过渡时间最短。运动到另一个状态所经历的过渡时间最短。状态向量；状态向量；控制
9、向量；控制向量；输出向量；输出向量；A A、B B、C C常数矩阵；常数矩阵；由初始状态由初始状态X X（t t）=X X0 0，到终端状态，到终端状态X X=0=0的时间最短，即的时间最短，即 （约束条件：约束条件：）所要求的最优控制作用是所要求的最优控制作用是 =1=1 （i=1 i=1，2 2，）对于一个对于一个n n阶的系统，要实现上述控制目标，至多开关（阶的系统，要实现上述控制目标，至多开关（n n-1-1）次。）次。在工业自动化应用中，最有发展前途的是在工业自动化应用中，最有发展前途的是Bang-BangBang-Bang与反馈控制相结合的控与反馈控制相结合的控 制系统，即制系统，
10、即图图4.6 4.6 复式快速控制流程图复式快速控制流程图Bang-BangBang-Bang与反馈控制相结合的控制系统，即与反馈控制相结合的控制系统，即 时间最优的时间最优的PIDPID控制控制智能智能PID控制控制lPIDPID控制器结构简单而能满足大量工业过程的要求控制器结构简单而能满足大量工业过程的要求,且具有且具有一定的鲁棒性等特点。然而一定的鲁棒性等特点。然而,现代的工业控制过程中现代的工业控制过程中,许多许多被控对象机理复杂被控对象机理复杂,它不仅表现在控制系统具有多输入多它不仅表现在控制系统具有多输入多输出的强耦合性、参数时变性和严重的非线性特性输出的强耦合性、参数时变性和严重
11、的非线性特性,更突更突出的是从系统对象所能获得的知识信息量相对地减少以及出的是从系统对象所能获得的知识信息量相对地减少以及与此相反地对控制性能的要求却日益提高。与此相反地对控制性能的要求却日益提高。l智能控制与常规智能控制与常规PIDPID控制相结合控制相结合,形成所谓智能形成所谓智能PIDPID控制。控制。它具有不依赖系统精确数学模型的特点它具有不依赖系统精确数学模型的特点,对系统的参数变对系统的参数变化具有较好的鲁棒性。模糊控制、神经网络控制和专家控化具有较好的鲁棒性。模糊控制、神经网络控制和专家控制是目前智能控制研究中最为活跃的领域制是目前智能控制研究中最为活跃的领域,本文就其组成本文就
12、其组成的几种典型智能的几种典型智能PIDPID控制系统的基本结构、原理及特点分控制系统的基本结构、原理及特点分别给以介绍。别给以介绍。1.1.模糊模糊PIDPID控制控制l模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规划推理为理论基础模糊逻辑的规划推理为理论基础,采用计算机控制技术构采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的数字控制系统。它的组成核心是成的一种具有反馈通道的数字控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。具有智能性的模糊控制器。l模糊控制器是一种新型控制器模糊控制器是一种新型控制器,其优点是不要求掌握受控其优
13、点是不要求掌握受控对象的数学模型对象的数学模型,而根据人工控制规划组织控制决策表而根据人工控制规划组织控制决策表,然然后由该表决定控制量的大小。后由该表决定控制量的大小。l该模糊控制和该模糊控制和PIDPID控制两者结合起来控制两者结合起来,扬长避短扬长避短,既具有模既具有模糊控制的灵活、适应性强的优点糊控制的灵活、适应性强的优点,又具有又具有PIDPID控制精度高的控制精度高的特点。特点。l为了改善模糊控制器的稳态性能为了改善模糊控制器的稳态性能,通常在模糊控制器中引通常在模糊控制器中引入模糊积分，下面介绍两种模糊入模糊积分，下面介绍两种模糊PIDPID控制器：控制器：(1)(1)混合型模糊
14、混合型模糊PIDPID控制器控制器 l模糊控制器结构是由一个常规积分控制器和一个二维模糊模糊控制器结构是由一个常规积分控制器和一个二维模糊控制器相并联而构成的。常规控制器相并联而构成的。常规PIPI控制器输出为控制器输出为UiUi和二维模和二维模糊控制器输出量糊控制器输出量UfUf相叠加相叠加,作为混合型模糊作为混合型模糊PIDPID控制器的总控制器的总输出输出,即即U=Ui+Uf,U=Ui+Uf,可使系统成为无差模糊控制系统。可使系统成为无差模糊控制系统。混合型模糊PID控制器(2)(2)误差误差e e模糊积分的模糊积分的PIDPID模糊控制器模糊控制器l它是一种对误差它是一种对误差e e的
15、模糊值进行积分的的模糊值进行积分的PIDPID控制器控制器,这种对误差这种对误差e e的模的模糊值进行积分的糊值进行积分的PIDPID模糊控制器可用来消除大的系统余差。模糊控制器可用来消除大的系统余差。l采用对被控对象的在线辨识采用对被控对象的在线辨识,然而根据一定的控制要求或目标函数然而根据一定的控制要求或目标函数,对对PIDPID控制器的控制器的3 3个参数个参数(Kp,Ki,KdKp,Ki,Kd)进行在线调整。此外用计算机最进行在线调整。此外用计算机最优化方法寻求最佳优化方法寻求最佳PIDPID参数等方法。参数等方法。l一种用模糊控制器对一种用模糊控制器对KpKp、TiTi、TdTd 3
16、 3个参数进行在线调整的个参数进行在线调整的“PID“PID自调自调整模糊控制器整模糊控制器”。模糊控制系统的控制质量。模糊控制系统的控制质量,主要取决于模糊控制器主要取决于模糊控制器规划的建立和模糊关系的真实性。规划的建立和模糊关系的真实性。误差误差e e模糊积分的模糊积分的PIDPID模糊控制器模糊控制器2.2.专家专家PIDPID控制控制l专家控制是基于受控对象和控制规律的各种知识专家控制是基于受控对象和控制规律的各种知识,以智能的方以智能的方式来利用这些知识式来利用这些知识,求得受控系统尽可能地优化和实用化。求得受控系统尽可能地优化和实用化。l专家专家PIDPID控制系统控制系统:用专
17、家经验来建立用专家经验来建立PIDPID参数。它是在参数。它是在PIDPID算法算法的基础上的基础上,增加了误差增加了误差e e和误差变化和误差变化e e以及查以及查FuzzyFuzzy矩阵、查知矩阵、查知识集、知识调整几个软件模块。这种专家识集、知识调整几个软件模块。这种专家PIDPID控制器能根据专控制器能根据专家知识和经验实时调整家知识和经验实时调整PIDPID参数参数,具有良好的控制特性和鲁棒性。具有良好的控制特性和鲁棒性。专家专家PIDPID控制系统原理框图控制系统原理框图3.智能智能PID自学习控制自学习控制l自自学学习习控控制制系系统统:一一个个系系统统若若能能通通过过在在线线实
18、实时时学学习习，自自动动获获得得知知识识，并并能能将将所所学学的的知知识识用用来来不不断断改改善善一一个个具具有有未未知知特特征征过过程程的控制性能。的控制性能。l智智能能PIDPID控控制制器器采采用用规规则则PIDPID控控制制形形式式，即即在在系系统统运运行行的的不不同同阶阶段段下下，采采用用不不同同的的PIDPID参参数数。性性能能评评价价是是要要了了解解到到智智能能控控制制器器的的性性能能及及其其好好坏坏，以以便便及及时时修修正正PIDPID控控制制器器的的参参数数。设设置置逆逆对对象象增增量量模模型型是是将将系系统统性性能能评评价价的的结结果果折折合合到到对对应应受受控控对对象象的
19、的控控制量制量u u的修正量的修正量 u u上去。上去。l特特点点是是在在智智能能PIDPID控控制制即即规规则则PIDPID控控制制的的基基础础上上，强强调调对对该该控控制制器器的的控控制制性性能能的的评评价价，将将这这个个评评价价结结果果反反馈馈给给PIDPID参参数数的的自自学学习机构，从而使系统进行自学习和自整定。习机构，从而使系统进行自学习和自整定。智能PID自学习控制系统结构框图4.4.基于神经网络的基于神经网络的PIDPID控制控制 以非线性大规模并行处理为主要特征的神经网络以非线性大规模并行处理为主要特征的神经网络,是以生物神是以生物神经网络为模拟基础经网络为模拟基础,试图模拟
20、人的形象思维以及学习和获取知识的试图模拟人的形象思维以及学习和获取知识的能力。它具有学习、记忆、联想、容错、并行处理等种种能力能力。它具有学习、记忆、联想、容错、并行处理等种种能力,已已在控制领域得到广泛的应用。控制器输出可写成在控制领域得到广泛的应用。控制器输出可写成:u u(k k)=)=W W1 1e e(k k)+)+W W22e e(k k)-)-e e(k k-1)+-1)+W W33e e(k k-12-12e e(k k)+)+e e(k k-2)-2)权系数权系数(i i=1,2,3)=1,2,3)可以通过神经元的自学习功能来进行自适可以通过神经元的自学习功能来进行自适应调整
21、应调整,故可大大提高控制器的鲁棒性能。与常规故可大大提高控制器的鲁棒性能。与常规PIDPID控制器比较控制器比较,无需进行系统建模无需进行系统建模,对具有不确定性因素的系统对具有不确定性因素的系统,其控制品质明显其控制品质明显优于常规优于常规PIDPID控制器。控制器。l基于神经网络的基于神经网络的PIDPID控制系统控制系统:神经网络作在线估计器神经网络作在线估计器,控制信控制信号由常规控制器发出。首先号由常规控制器发出。首先,神经网络按照神经网络按照BPBP学习算法进行离学习算法进行离线学习线学习,然后介入控制系统然后介入控制系统,一方面实时地给出最佳的一方面实时地给出最佳的PIDPID控
22、制控制器参数器参数,另一方面还要继续学习不断地调整神经网络中各神经另一方面还要继续学习不断地调整神经网络中各神经元之间权系数元之间权系数,以适应受控对象的变化。以适应受控对象的变化。基于神经网络的基于神经网络的PIDPID控制系统框图控制系统框图4.3 PID参数整定方法参数整定方法 4.3.1 4.3.1 工程整定法工程整定法1.1.采样周期采样周期T T的选择确定的选择确定 采样周期采样周期T T太小，偏差信号也会过小，此时计算机将失去调节作用；太小，偏差信号也会过小，此时计算机将失去调节作用；若采样周期若采样周期T T太长，则将引起误差。因此采样周期太长，则将引起误差。因此采样周期T T
23、必须综合考虑。采必须综合考虑。采样周期的选择方法有两种，一种是计算法，另一种是经验法。经验法样周期的选择方法有两种，一种是计算法，另一种是经验法。经验法是一种凑试法，即根据人们在控制工作实践中积累的经验以及被控对是一种凑试法，即根据人们在控制工作实践中积累的经验以及被控对象的特点，先选择一个采样周期象的特点，先选择一个采样周期T T，进行试验，再反复改变，进行试验，再反复改变T T，直到满，直到满意为止。意为止。2.2.K Kp,p,T Ti,i,T Td d的选择方法的选择方法 1)1)扩充临界比例度法扩充临界比例度法 扩充临界比例度法是简易工程整定方法之一，用扩充临界比例度法是简易工程整定
24、方法之一，用它整定它整定K Kp,p,T Ti,i,T Td d的步骤的步骤:选择最短采样周期选择最短采样周期T Tminmin，求出临界比例度求出临界比例度S Su u和临界振荡周期和临界振荡周期T Tu u。具体方法是。具体方法是将将T Tminmin输入计算机，只有输入计算机，只有P P环节控制，逐渐缩小比例环节控制，逐渐缩小比例度，直到系统产生等幅振荡。此时的比例度即为临度，直到系统产生等幅振荡。此时的比例度即为临界比例度界比例度S Su u，振荡周期称为临界振荡周期，振荡周期称为临界振荡周期T Tu u。选择。选择控制度为控制度为 通常当控制度为通常当控制度为1.051.05时，表示
25、数字控制方式与模拟方式效果相时，表示数字控制方式与模拟方式效果相当。根据控制度，查表当。根据控制度，查表4-14-1可求出可求出K Kp,p,T Ti,i,T Td d。表4-1扩充临界比例度法整定参数表控制控制度度控制规控制规律律参参 数数T TK Kp pT Ti iT Td d1.051.05PIPIPIDPID0.030.03T Tu u0.0140.014T Tu u0.530.53S Su u0.630.63S Su u0.880.88T Tu u0.490.49T Tu u0.140.14T Tu u1.21.2PIPIPIDPID0.050.05T Tu u0.430.43T
26、Tu u0.490.49S Su u0.470.47S Su u0.910.91T Tu u0.470.47T Tu u0.160.16T Tu u续表1.51.5PIPIPIDPID0.140.14T Tu u0.090.09T Tu u0.420.42S Su u0.340.34S Su u0.990.99T Tu u0.430.43T Tu u0.200.20T Tu u2.02.0PIPIPIDPID0.220.22T Tu u0.160.16T Tu u0.360.36S Su u0.270.27S Su u1.051.05T Tu u0.40.4T Tu u0.220.22T Tu
27、 u2)2)扩充响应曲线法扩充响应曲线法 l若已知系统的动态特性曲线，可以采用和模拟调节方法一样的若已知系统的动态特性曲线，可以采用和模拟调节方法一样的响应曲线法进行整定，其步骤如下。响应曲线法进行整定，其步骤如下。l断开微机调节器，使系统手动工作，当系统在给定值处处于平断开微机调节器，使系统手动工作，当系统在给定值处处于平衡后，给一阶跃输入。用仪表记录被调参数在此阶跃作用下的衡后，给一阶跃输入。用仪表记录被调参数在此阶跃作用下的变化过程曲线，如图变化过程曲线，如图4.124.12所示。所示。阶跃信号下的曲线阶跃信号下的曲线l在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间t，对象时间常数以及它们的比值/
28、t。根据所求得的,t和/t值，查表4-2求得值Kp，Ti，Td。表4-2扩充响应曲线法整定参数表控制度控制规律参 数TKpTiTd1.05PIPID0.1t0.05t0.84/t1.15/t0.34t2.0t0.45t1.2PIPID0.2t0.15t0.78/t1.0/t3.6t1.9t0.55t1.5PIPID0.50t0.34t0.68/t0.85/t3.9t1.62t0.65t2.0PIPID0.8t0.6t0.57/t0.6/t4.2t1.5tt4.3.2 经验法经验法l在实际生产过程中，由于被调对象的动态特性不是很在实际生产过程中，由于被调对象的动态特性不是很容易确定，即使确定了，
29、不仅计算困难，工作量大，容易确定，即使确定了，不仅计算困难，工作量大，往往其结果与实际相差较大，甚至事倍功半。因此，往往其结果与实际相差较大，甚至事倍功半。因此，在实际生产过程中采用的是经验法。即根据各调节作在实际生产过程中采用的是经验法。即根据各调节作用的规律，经过闭环试验，反复凑试，找出最佳调节用的规律，经过闭环试验，反复凑试，找出最佳调节参数。微机调速器参数最终要在现场试验好后，才能参数。微机调速器参数最终要在现场试验好后，才能选出最优参数。厂家有规定的参考值，有一个范围，选出最优参数。厂家有规定的参考值，有一个范围，是理论计算出来的。因此要选择出最优参数，就必须是理论计算出来的。因此要
30、选择出最优参数，就必须在生产现场进行试验作记录曲线后方能得到。在生产现场进行试验作记录曲线后方能得到。4.3.3凑试法确定PID调节参数具体步骤如下：具体步骤如下：(1)(1)首先整定比例部分。将比例系数由小调大，并观察相应的系统响首先整定比例部分。将比例系数由小调大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差小到允许的范围之内，并且响应曲线已属满意，那么只需要静差小到允许的范围之内，并且响应曲线已属满意，那么只需要用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。(2
31、)(2)当仅调节比例调节器参数，系统的静差还达不到设计要求时，则当仅调节比例调节器参数，系统的静差还达不到设计要求时，则需加入积分环节。整定时，首先置积分常数需加入积分环节。整定时，首先置积分常数T Ti i为一个较大值，经为一个较大值，经第一步整定得到的比例系数会略为缩小第一步整定得到的比例系数会略为缩小(如减小如减小20%)20%)，然后减小积，然后减小积分常数，使系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。分常数，使系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复修改比例系数和积分常在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复修改比例系数和积分常数，直至得到满
32、意的效果和相应的参数。数，直至得到满意的效果和相应的参数。(3)(3)若使用比例积分器，能消除静差，但动态过程经反复调整后仍达若使用比例积分器，能消除静差，但动态过程经反复调整后仍达不到要求，这时可加入微分环节。在整定时，先置微分常数不到要求，这时可加入微分环节。在整定时，先置微分常数T Td d为为零，在第二步整定的基础上，增大零，在第二步整定的基础上，增大T Td d，同时相应地改变，同时相应地改变K Kp p和和T Ti i，逐步凑试，以获得满意的调节效果和参数。逐步凑试，以获得满意的调节效果和参数。表4-3常见被调量PID参数经验选择范围被调量特点参数KpTi/minTd/min流量时
33、间常数小，并有噪声，故Kp比较小，Ti较小，不用微分12.50.11温度对象有较大滞后，常用微分1.653100.53压力对象的滞后不大，不用微分1.43.50.43液位允许有静差时，不用积分和微分1.2552.4 PID控制系统实例控制系统实例厚壁管全位置焊接变增益厚壁管全位置焊接变增益PIDPID弧长调节必要性弧长调节必要性 厚壁管窄间隙全位置厚壁管窄间隙全位置TIGTIG焊弧长调节一般可以分为弧光传感、电焊弧长调节一般可以分为弧光传感、电磁传感和弧压传感。应用弧光传感是通过测量弧光的整体光强来测量磁传感和弧压传感。应用弧光传感是通过测量弧光的整体光强来测量弧长，与给定值相比，差值经过一定
34、的算法输出信号控制弧长；电磁弧长，与给定值相比，差值经过一定的算法输出信号控制弧长；电磁传感是根据弧长变化引起电磁变化，再将电磁信号转化成电信号控制传感是根据弧长变化引起电磁变化，再将电磁信号转化成电信号控制弧长；以上两种弧长调节控制器辅助装置复杂，在生产应用中受到限弧长；以上两种弧长调节控制器辅助装置复杂，在生产应用中受到限制。制。采用弧压传感控制电弧长度的技术较为成熟，而且制造成本低，采用弧压传感控制电弧长度的技术较为成熟，而且制造成本低，同时通过控制弧压控制弧长符合焊接操作者的传统习惯，所以目前大同时通过控制弧压控制弧长符合焊接操作者的传统习惯，所以目前大多自动焊接操作机都采用弧压传感控
35、制弧长，通过计算机控制和先进多自动焊接操作机都采用弧压传感控制弧长，通过计算机控制和先进的控制算法可实现焊枪运行平稳，控制精度较高，完全能够满足焊接的控制算法可实现焊枪运行平稳，控制精度较高，完全能够满足焊接生产要求。生产要求。全位置全位置TIGTIG管在焊过程中，由于钨极的烧损、前道焊缝的成形、管在焊过程中，由于钨极的烧损、前道焊缝的成形、熔池变化、焊件几何形状及全位置空间变化等因素的影响，只有采用熔池变化、焊件几何形状及全位置空间变化等因素的影响，只有采用弧长调节功能，才能维持电弧长度的恒定。弧长调节功能，才能维持电弧长度的恒定。弧长过短，则电极和工弧长过短，则电极和工件容易短路而损坏电极
36、，也使电极金属落进熔池造成夹钨；弧长过长，件容易短路而损坏电极，也使电极金属落进熔池造成夹钨；弧长过长，电弧的有效加热面积增大，使熔深减小熔宽增加从而影响焊缝成形；电弧的有效加热面积增大，使熔深减小熔宽增加从而影响焊缝成形；使用脉动添丝时，弧长调节重要性就更为突出。使用脉动添丝时，弧长调节重要性就更为突出。弧长调节系统的硬件组成弧长调节系统的硬件组成l弧长调节系统的硬件主要由弧长调节系统的硬件主要由焊接电源、弧长调整机构、焊接电源、弧长调整机构、弧压信号采样系统和单片机接口电路及力矩电机驱动弧压信号采样系统和单片机接口电路及力矩电机驱动电路电路组成。控制系统结构如图组成。控制系统结构如图2-1
37、22-12所示。所示。图图2-12 焊接电流和弧长控制系统结构图焊接电流和弧长控制系统结构图 l 在本控制系统中，电机的控制是采用在本控制系统中，电机的控制是采用脉宽调制脉宽调制(PWM)(PWM)方式进行的。方式进行的。位置控制是采用控制弧压来间接控位置控制是采用控制弧压来间接控制弧长制弧长。当单片机采样到弧压偏差后，采用一定的控制。当单片机采样到弧压偏差后，采用一定的控制算法，给定控制电压（算法，给定控制电压（0 05 5V V）来控制脉宽调制芯片）来控制脉宽调制芯片TL494TL494输出脉冲的占空比，经功率放大为力矩电动机电输出脉冲的占空比，经功率放大为力矩电动机电枢上电压来控制其转速
38、，辅助以位控方式控制转动方向枢上电压来控制其转速，辅助以位控方式控制转动方向和转动与否，实现弧长控制（即位置控制）。力矩电动和转动与否，实现弧长控制（即位置控制）。力矩电动机驱动电路原理如图机驱动电路原理如图2-132-13所示。所示。图 2-13 力矩电动机驱动电路原理图 弧长调节可变增益弧长调节可变增益PIDPID控制器的设计控制器的设计l在电弧长度与弧压之间的线性关系基础上，可以用线性数字PID控制来实现弧长的自动调节。弧长控制应力求超调量小，而调节时间短，因而采用PID调节。连续PID控制器的理想方程为：(2-16)其中 e(t)控制器输入信号 u(t)控制器输出信号控制器放大系数 控
39、制器积分时间常数 控制器微分时间常数l随着计算机技术的发展，PID控制规律已能用微机简单的实现，形成所谓数字PID控制方法。用矩形积分代替连续积分的基本数字PID方程如下：(2-17)式(4-17)化为增量式PID算式，得(2-18)l该系统用该系统用扩充临界比例度法扩充临界比例度法整定出整定出PIDPID参数的初值，即采用纯参数的初值，即采用纯比例控制，逐渐增加放大系数，直至系统出现等幅振荡（见图比例控制，逐渐增加放大系数，直至系统出现等幅振荡（见图2-142-14），记录此时的放大系数和振荡周期，按表），记录此时的放大系数和振荡周期，按表2-42-4计算计算PIDPID参参数。在不同的空间
40、位置由于重力的影响，相同的输入功率下其数。在不同的空间位置由于重力的影响，相同的输入功率下其转速是不一样的，所以不同的焊接位置的最佳转速是不一样的，所以不同的焊接位置的最佳PIDPID参数是不相参数是不相同的。实验在同的。实验在12Cr1MoV12Cr1MoV钢钢管表面进行，管壁厚钢钢管表面进行，管壁厚3535mmmm，管径，管径400400mmmm，焊接规范为：焊接电压，焊接规范为：焊接电压U U=10=10V V；焊接电流；焊接电流I I=60=60A A；氩气；氩气流量流量q qv=6.5v=6.5L L/minmin。表表2-4 2-4 扩充临界比例带法扩充临界比例带法PIDPID参数
41、计算公式参数计算公式控制度调节规律Ts/TcrKp/KcrTi/TrTd/Tcr1.50PID0.090.340.430.20 图图2-14 2-14 系统的临界振荡过程系统的临界振荡过程 测得测得Tcr=0.205s，Kcr=7.5，按控制度，按控制度Q=1.5，选取采样，选取采样Ts=0.018s，将表，将表2-4中各值代入式中各值代入式(2-18)中，得：中，得：(2-19)分析分析:按按Kp/Kcr=0.34Kp/Kcr=0.34，取，取KpKp初值初值2.552.55。弧长调节的首要问题是。弧长调节的首要问题是防防止钨极与工件短路止钨极与工件短路，所以在调节过程中，所以在调节过程中，
42、焊枪远离工件的调节速度焊枪远离工件的调节速度要快，而靠近工件的调节超调要小要快，而靠近工件的调节超调要小，并且要在两个方向弧长调节中，并且要在两个方向弧长调节中采用采用不同的放大系数不同的放大系数KpKp，靠近工件调节过程的放大系数应适当小一，靠近工件调节过程的放大系数应适当小一些。些。同时应该考虑，该焊机全位置焊过程中不同的焊接位置的最佳同时应该考虑，该焊机全位置焊过程中不同的焊接位置的最佳PIDPID参参数是不相同的，因此，系统采用根据实时的调节情况适当改变数是不相同的，因此，系统采用根据实时的调节情况适当改变PIDPID控控制器放大系数的方法。其基本原理是：如果调节中发现调节速度过制器放
43、大系数的方法。其基本原理是：如果调节中发现调节速度过慢，即往该方向调节困难，则应增加该方向的控制器放大系数慢，即往该方向调节困难，则应增加该方向的控制器放大系数KpKp；相反则减小。相反则减小。l为改善系统的控制品质，在上述可变增益PID调节上做了一些改进，这里主要考虑三方面的情况并采取相应措施：l（1）采用快速控制l快速控制即在偏差很大的情况下，用开关控制的方式快速调节，使系统迅速减小偏差。本控制系统设计当弧压偏差大于1.5V时，采用快速调节，即快速调节PID控制(2-20)（2）采用积分分离的PID控制 偏差较大时，在积分项的作用下，将引起系统过量的超调和不停的振荡。为此，可采用积分分离对
44、策。本系统设计当偏差大于0.8V时，取消积分作用。取消积分作用引入积分作用(2-21)式(4-14)取消积分项后为：-(2-22)为改善系统的控制品质，在上述可变增益为改善系统的控制品质，在上述可变增益PIDPID调节调节上做了一些改进，这里主要考虑三方面的情况并采取相上做了一些改进，这里主要考虑三方面的情况并采取相应措施。应措施。1 1）采用快速控制）采用快速控制快速控制即在偏差很大的情况下，用开关控制的方快速控制即在偏差很大的情况下，用开关控制的方式快速调节，使系统迅速减小偏差。本控制系统设计当式快速调节，使系统迅速减小偏差。本控制系统设计当弧压偏差大于弧压偏差大于1.5 V1.5 V时，
45、采用快速调节，即：时，采用快速调节，即：快速调节PID控制2 2）采用积分分离的）采用积分分离的PIDPID控制控制偏差较大时，在积分项的作用下，将引起系统偏差较大时，在积分项的作用下，将引起系统过量的超调和不停的振荡。为此，可采用积分分离过量的超调和不停的振荡。为此，可采用积分分离对策。本系统设计当偏差大于对策。本系统设计当偏差大于0.8 V0.8 V时，取消积分时，取消积分作用，即：作用，即：（2-212-21）式（式（2-192-19）取消积分项后为：）取消积分项后为：取消积分作用取消积分作用引入积分作用引入积分作用(2-22)（3 3）采用带不灵敏区的）采用带不灵敏区的PIDPID控制
46、控制l为避免调节频繁而引起系统振荡，采用带不灵敏区的为避免调节频繁而引起系统振荡，采用带不灵敏区的PIDPID控制，偏差在控制，偏差在一定范围内不调，即一定范围内不调，即(2-23)TIG(2-23)TIG焊过程中，即使电流恒定，弧长稳定，焊过程中，即使电流恒定，弧长稳定，电弧电压也要受到一些因素的干扰（如熔池的振荡、阳极斑点的漂移电弧电压也要受到一些因素的干扰（如熔池的振荡、阳极斑点的漂移等），会在一定范围内波动，确定一定范围的不灵敏区，可防止焊矩等），会在一定范围内波动，确定一定范围的不灵敏区，可防止焊矩频繁调节和误调。只是不灵敏区不能过大，过大使系统反应麻木，静频繁调节和误调。只是不灵敏
47、区不能过大，过大使系统反应麻木，静态误差偏大；可太小又难以达到预期的目的。作者考虑系统调节稳定态误差偏大；可太小又难以达到预期的目的。作者考虑系统调节稳定的同时，充分考虑系统最大允许的静差，即弧长偏差的最大容忍度。的同时，充分考虑系统最大允许的静差，即弧长偏差的最大容忍度。经多次焊接实验，将不灵敏区定为经多次焊接实验，将不灵敏区定为|u u|0.2|0.2V V。编程实现上述控制，。编程实现上述控制，控制软件流程图见控制软件流程图见2-152-15。(2-23)图2-15 弧长调节程序流程图 3.7.4 S7-200的的PID闭环控制程序设计闭环控制程序设计 1.水位PID控制某一水箱里的水以变化的速度流出，一台变频器驱动的水泵给水箱打水，以保证水箱的水位维持在满水位的75%。过程变量由浮在水面上的水位测量仪提供，PID控制器的输出值作为变频器速度的给定。系统采用PI控制器，给定值为0.75，选取控制器参数的初值为：Kc=0.25，Ts=0.1s，T1=30min。图3.82PID指令2.PID指令编址3.水位水位PID控制序设计控制序设计(a)主程序(b)子程序(c)中断程序