PID-采样周期及参数整定方法

数字PID控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID参数整定方法进行。

在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。

控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。

PID控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。

采样周期的选择

采样周期：

采样一数据控制系统中，设采样周期为T S，采样速率为1/T S，采样角频率为

采样周期T S是设计者要精心选择的重要参数，系统的性能与采样周期的选择有密切关系。需要考虑的因素：

采样周期的选择受多方面因素的影响,主要考虑的因素分析如下。

（1）香农（Shannon）采样定理

（Wmax--被采样信号的上限角频率）

给出了采样周期的上限。满足这一定理，采样信号方可恢复或近似地恢复为原模拟信号，而不丢失主要信息。在这个限制范围内，采样周期越小，采样-数据控制系统的性能越接近于连续-时间控制系统。

（2）闭环系统对给定信号的跟踪，要求采样周期要小。

（3）从抑制扰动的要求来说，采样周期应该选择得小些。

（4）从执行元件的要求来看，有时要求输入控制信号要保持一定的宽度。

（5）从计算机精度考虑，采样周期不宜过短。

（6）从系统成本上考虑，希望采样周期越长越好。

综合上述各因素，选择采样周期，应在满足控制系统的性能要求的条件下，尽可能地选择低的采样速率。

经验选择

工业控制中，大量的受控对象都具有低通的性质。下面图3-12给出了选择采样周期的经验。

表3-1给出了常用被控量的经验采样周期。

试凑方法

采样周期的选择，要根据所设计的系统的具体情况，用试凑的方法，在试凑过程中根据各种合理的建议来预选采样周期，多次试凑，选择性能较好的一个作为最后的采样周期

实验凑试法的整定步骤为"先比例，再积分，最后微分"。

（1）整定比例控制

将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

（2）整定积分环节

若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。

先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。

（3）整定微分环节

若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。

先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。

以下是PID控制系统的仿真程序，试调整控制器增益(Kpt)和积分分离值(ei)这两个参数，看一下它们对系统输出响应的影响。

P I D参数对控制质量的影响不十分敏感。因而不同的比例、积分、微分的组合，可能达到相近的控制效果。实际应用中，只要受控过程或受控对象的主要指标达到设计要求，相应的控制器参数即可作为有效的控制参数。

实验经验法调整PID参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法,其最大的优点是，参数的整定不依赖受控对象的数学模型，直接在现场整定、简单易行。

扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象，是对连续-时间PID控制器参数整定的临界比例度法的扩充。

扩充比例度法整定数字PID控制器参数的步骤是：

（1）预选择一个足够短的采样周期TS。一般说TS应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。

（2）用选定的TS使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用，将控制选择为纯比例控制器，构成闭环运行。逐渐减小比例度，即加大比例放大系数KP，直至系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡（稳定边缘），将这时的比例放大系数记为Kr,临界振荡周期记为Tr。

（3）选择控制度。

控制度，就是以连续-时间PID控制器为基准，将数字PID控制效果与之相比较。

通常采用误差平方积分

作为控制效果的评价函数。

定义控制度

采样周期TS的长短会影响采样-数据控制系统的品质，同样是最佳整定，采样-数据控制系统的控制品质要低于连续-时间控制系统。因而，控制度总是大于1的，而且控制

度越大，相应的采样-数据控制系统的品质越差。控制度的选择要从所设计的系统的控制品质要求出发。

（4）查表确定参数。根据所选择的控制度，查表3一2，得出数字PID中相应的参数TS,KP,TI和TD。

（5）运行与修正。将求得的各参数值加入P I D控制器,闭环运行,观察控制效果,并作适当的调整以获得比较满意的效果。