PID控制及自動控制概念

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■控制理論的由來 : PID 控制

Nicolas Mimorsky 在1921年提出PID(比例、積分、微分)控制理論就是

1. 比例調變 : 將「現在」的誤差訊號乘上一個比例控制的參數值KP。

2. 積分調變 : 將「過去」的誤差訊號累加後,乘上一個積分控制的參數值Ki。

3. 微分調變 : 將相鄰兩個控制訊號的誤差變化率(做為「未來」誤差的參考)乘上一個微分

控制的參數值Kd。


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■控制系統分類

●依開閉路系統區分

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(1)開路系統

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(2)閉路控制系統

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●依系統之訊號性質區分

(1)連續性(類比)控制系統:控制系統內部所處理的信號均為時間的連 續函數,

稱為連續性(類比)控制系統。

(2)離散性(數位)控制系統:控制系統內部所處理的信號為脈衝序列(數列)或

數位碼等,稱為離散性(數位)控制系統。

●依系統之回授訊號之種類區分:

(1) 伺服(servo)控制系統:系統之輸出信號為機械性之信號,

例如 : 位 置(位移)、速度、加速度、力、角位移、角速度、角加速度、力矩… 等,

稱之為伺服(servo)控制系統。

(2) 程序控制系統:系統之輸出信號為化學性(環境類)之信號,

例如 : 壓力、溫度、流量、溼度、酸鹼值…等,稱為程序控制系統。

(3) 自動調整系統:系統之輸出信號為電機械性之信號,

例如 : 電壓、 電流、電荷、頻率、轉速…等,稱之為自動調整系統。

●依系統之輸出信號與時間之關係區分

(1) 定值(regular)控制系統:系統之輸出信號之目標值為固定大小,

例如,冷氣機之室溫定溫控制。

(2) 追蹤(tracking)控制系統:系統之輸出信號之目標值為時間的函數,

例如,自動焊接系統,機器人臂焊接動作。

■設計控制系統步驟

1.建立系統的轉移函數模型

把具有線性特性的物件的輸入與輸出間的關係,

用一個函數(輸出波形的拉氏變換與輸入波形的拉氏變換之比)

記作G(s)=Y(s)/U(s),其中Y(s)、U(s)分別為輸出量和

輸入量的拉普拉斯變換,稱為轉移函數(是控制工程學的用語)

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2.簡化傳遞函數並求出輸出響應

系統的傳遞函數,可求出系統的輸出響應; 輸出響應依控制設計,可以是一階響應或二階響應

(1) 合成規則

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圖表來源 : 自動控制 姚賀騰 編著 p.3-8


(2)梅生增益公式(Mason Gain Formula)

A.信號流程圖(SFG-Signal Flow Graph)之代數式

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B.梅生增益公式

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【視頻】 自動控制系統 - 轉移函數、方塊圖、信號流程圖



3.系統模型分析

(1) 系統穩定度分析

在 自 動 控 制系統中, 穩定度的定義主要有兩種, 即漸近穩定性(asymptotically

stability) 與有界輸入有界輸出穩定性(bounded inputbounded output stability)。判

斷系統穩定度的方法主要有路茲(Routh)準則,奈氏(Nyquist)準則及Lyapunov 定理。

(2) 暫態響應與穩態響應分析

這部份屬於定量的分析,主要是評估系統響應的數值大小,諸如上升時間,最大超越量,

尖峰時間,安定時間,系統時間常數,穩態誤差。這些數據可用以衡量系統響應的優劣,

並可作為自動控制系統的性能規格。

(3) 頻率響應分析

包含有波德圖、極座標圖、尼可士圖(Nichol's chart),以及頻域規格(增益邊限、相位

邊限、尖峰共振、共振頻率、頻寬⋯等)。

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(4) 根軌跡分析

主要討論開迴路傳遞函數在比例控制增益值改變時,閉迴路系統的極點在複數平面所對應

的變化曲線之特性。此部份的分析有助於理解調節系統比例控制增益大小,對於閉廻路系

統的性能規格及穩定度的影響。

(5) 狀態空間分析

此部份除了整合前述各種項目之外,另外還可進一步討論系統狀態的可控制性

(controllability)及可觀測性(observability),這些分析可用以評估系統狀態估測器與狀

態迴授控制器是否能夠達成性能規格要求。

【TIPS】根軌跡法和頻率響應法被認為是構成經典控制理論的兩大支柱。

■回授控制器種類

●依設計方式區分,常見的有下列幾種:

1.PID 控制器(時域)
2.Phase Lead-Lag 控制器(頻域)
3.狀態控制器(狀態空間回授)

●針對PID控制器介紹如下:

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●PID 回授系統的特性

1.改善穩態誤差

2.抑制外在干擾的影響

3.降低系統參數的靈敏度

4.改善穩定性

5.改善暫態性能

6.增益K之調整


●檢驗PID控制器是否可穩定控制( 穩態誤差是否為0)


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●調整增益值K, 對各型PID控制器的時域響應圖解析


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將上述不同控制器的時域項應圖匯總如下:

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【解析】

1.不同控制器其K值的時域響應圖,代表控制反應度、穩定度的優劣。

2.同時結合比例積分微分三主控制的PID控制器其穩定度最佳。

3.得出控制器轉換函數,只是控制設計的初步, 都需要進一步做 K 值調整

(Tuning),達到一定的穩定度( Stability )才算完成 。

調整 K 值的手法有很多, 如 Routh-criterion列表法, Root Locus , 零點極點法….等,

都是做自動控制設計不可缺少的技術。



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【視頻】五分鐘搞懂PID控制演算法


【視頻】PID 控制器完整介紹:從概念到參數調整全攻略


【視頻】用控制實驗法設計PID控制器


【視頻】PID方塊圖對應的PID控制電路


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