I(integration)调节(三)


其实一般没有单独的 I 调节的,只是为了突出这一点,所以专门一小节讲解积分作用。

现在看一下公式:

这里的 e(i)就是比例 P 里面所用的偏差 e(K),只是这里将之前所有的偏差都进行了累计,而比例只和当前偏差有关,和历史偏差无关。我们看书上是怎么描述的:比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状,而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。现在只单独学习积分环节。我们看它的作用。

当△n 为阶跃信号,即从电机没有开始启动,设置一个最大的速度,看积分情况。

从这图中我们可以发现△n 即偏差 e(i),e(i)是离散化的偏差量,这个图中的红点即是对△n 定期采样值,并且这个值是保持不变的,正常情况下这个值是会改变的。而采样值也是离散化的值,即 1,2,3,4,没有 1.2,1.3 之类的,这个和 AD 采样位数有关,有的 8 位,有的 10,有的 12,各不相同。如这里的红点值保持不变,但是它不是 a,也不是 a-1,而是介于他们之前,所以可以是 a 或者 a-1,最终会是其中一个数据,假如是 a。

现在再分析积分作用,它就是将所有的差值累积,第一次累积是 a,第二次 2a,第三次 3a……等等。因为偏差一直都是保持不变的,即都是 a,所以积分值 PWM 成线性增加,即为一条直线。如果偏差一直为正数,那么积分值 PWM 会一直增加,而你用于保存该值的变量位数是有限的,所以不能让它一直增加,所以需要限幅。

限幅的另一个主要原因是如果你的 PWM 一开始因为没有限幅导致累积到很大,当控制量出现了超调,即偏差为负数时,很难将积分值降下来。如下情况:没有限幅的情况下,所有的正数偏差△n 都会累加(负数的时候才会开始下降),使 PWM=2000,这时如果控制量转速达到了设定值,开始超调,即△n 为负数,就需要很久的时间将 PWM 降为 1000(假设 1000 为当前情况下的需要控制值),超调量和超调时间必然增加。但是如果一开始将 PWM 值进行限幅,当 PWM 值到了 1500 的时候之后的误差开始不再累积,而当出现超调,即为偏差负数时,PWM 值开始下降,此时 1500 下降到 100 比 2000 下降到 1000 时间更短,超调量也更小。这就是为什么要设置限幅值了。

上图是偏差不为恒定值的情况。当偏差为正数时,PWM 一直累积;当偏差为零时,PWM 停止累积,这就是积分的作用。偏差的大小决定了累积的速度。即 PWM 曲线的切线斜率。

上图是积分控制系统突加负载时的动态过程。从图中我们可以观察到,当突然增加负载时转速必然下降(控制电压不够),即产生了偏差,此时偏差累积,开始增加 PWM,偏差减小,当偏差降为零的时候,PWM 不再增加(偏差为零,也就不用增加了),此时速度 n2 = n1,即和之前的速度相等。

这里还有一个积分时间需要注意:

即这里的 TI,积分时间越大,积分的积累作用越弱,达到最终的控制量的时间越长,但是可以减少超调量。


推荐阅读:

PID 调节基础理论(一)

PID 调节之 P(proportion)调节(二)


下集预告:PI 组合调节


-THE END-



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