什么是串级PID? 简单PID和串级的优劣对比

作者:黄金赌城 发布时间:2021-03-03 04:37

  什么是串级PID?顾名思义就是两个串起来的PID,下面是一个双闭环的例子,外环是位置环,内环是速度环,最终的执行器是电机,电机输出产生了速度和位置;具体框图如下图所示;

  PID的算法控制其实是一种无系统模型的控制,可以根据参数经验经验去调试系统;

  但是实际的物理对象的模型其实早就确定好了,PID的输入量和输出量的物理意义也会因为实际的被控对象而改变;

  换句话说,PID的输入基本上和系统的反馈量相关,而实际的反馈量是什么,从一开始就因为系统而确定下来了;

  外环的变化会直接导致内环的变化,而内环是直接导致执行器变化的关键,如果这里依然使用飞行器作为例子,对于整个四轴飞行系统而言;

  如果只用单环的PID去控制系统,可以在给定系统期望的情况下达到所需要的位置吗?

  我们设定了一个高度,并且希望飞行器达到预期位置高度,那么这时候系统的反馈值只有位置量;

  那么飞行器是以什么样的速度去飞行?以什么样的加速度去启动?我们就无法去有效地控制飞行器的速度,让它去快速地到达期望的位置,具体位置曲线如下图所示;

  其实不难理解,因为一开始的高度差很大,所以PID计算输出的值就很大,因此初始速度会非常大,随着飞行器越来越接近期望位置,偏差越来越小,PID输出量逐渐减小,因此速度逐渐减小。

  其实很多时候,PID只是底层,称之为内环PID,通过它可以先稳定某个系统,优化动态特性,然后在外层嵌套其他算法,当然,外面有好几层PID的控制系统是也很常见的。也就是我们介绍的串级PID的系统,具体如下所示;

  其实从这个角度来看,通常PID适用于低阶的线性时不变系统,在此基础上限制到P,I,D三个系数。

  整体还需要根据具体的系统,有所变化,有的系统其实只需要两个系数(比如PD或PI),甚至有的系统只需要一个就行(比如P)。因此上面系统中,外环只需要使用P环节就足够了,另外可以对速度曲线进行规划。

  所以我们期望它尽快达到最大速度,因此从最开始的阶段进行匀加速,达到最大速度后开始匀速上升,即将到达期望位置的时候,进行匀减速,最终悬停到目标位置;

  这里将内环PID的相关变量加了后缀_inner,loop是外环PID进行周期控制,loop_inner是内环PID进行周期控制,两者相互独立,将外环PID的输出赋值给内环PID的输入即可;

  串级控制系统在结构上仅仅比简单控制系统多了一个内环回路,可是实践证明,对于相同的干扰,串级控制系统的控制质量是简单控制系统无法比拟的。

  串级PID的参数整定基本遵循从内到外,先整定内环PID的参数,再整定外环PID的参数;

  根据经验法调试参数,通常来说先整定内环比例参数P,然后整定积分参数I,动态特性可以整理微分参数D,当然还需要对饱和的情况进行处理;

  一般来说并不存在最优的,比如有的对速度和加速度有限制,有的系统一定不能出现超调量等等,有的系统则是响应越快越好。所以还是那句话,我不要你觉得,我要我觉得,合适才是最好的。

  本文简单介绍了串级PID的相关概念,以四轴飞行器为例,对比了简单PID和串级PID的优劣;

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