位置式PID和增量式PID优缺点

参考:位置式PID与增量式PID详解

位置式PID

位置式PID控制器的公式计算当前控制输出 𝑢𝑘

优点

  1. 控制精度高
  • 由于位置式PID控制器考虑了误差的比例、积分和微分项,可以精细调节控制输出,适用于对控制精度要求较高的系统。
  • 例子:在精密机械控制中,位置式PID控制器可以精确控制机械臂的位置,确保其在设定轨迹上运行。
  1. 适用于系统动态特性较好,无明显振荡的场景
  • 适合系统动态响应较好、误差变化平稳的场景。
  • 例子:在液位控制系统中,液位变化较平稳,位置式PID控制器可以稳定控制液位,防止溢出或干涸。

缺点

  1. 容易产生积分饱和和累积效应
  • 位置式PID控制器的积分项累积误差,当误差长期存在时,积分项可能会积累过多,导致积分饱和,进而引起较大的控制输出,造成系统过冲和振荡。故需要积分限幅和输出限幅。
  • 例子:在温度控制系统中,如果误差长期较大,位置式PID控制器的积分项会不断累积,导致温度控制系统出现过冲现象。
  1. 对扰动和参数变化敏感
  • 对外界扰动和系统参数变化较为敏感,可能会导致控制不稳定。
  • 例子:在液位控制系统中,如果液位传感器出现短暂故障,位置式PID控制器的输出可能会出现大幅波动,影响系统稳定性。
  1. 手动/自动切换时冲击较大
  • 由于位置式PID控制器直接计算控制输出,在手动和自动模式切换时,控制输出可能会出现较大变化,导致系统冲击。
  • 例子:在工业过程控制中,从手动模式切换到自动模式时,位置式PID控制器可能会因为当前误差较大,导致控制输出瞬间变化,影响系统平稳运行。

增量式PID

增量式PID控制器计算的是相对于上一个采样时刻的控制输出增量 Δ𝑢𝑘

优点

  1. 误动作时影响小,必要时可用逻辑判断的方法去掉出错数据

  2. 手动/自动切换时冲击小,便于实现无扰动切换。当计算机故障时,仍能保持原值

  3. 算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的确定仅与最近3次的采样值有关

缺点

  1. 积分截断效应大,有稳态误差
  • 积分截断效应:在数字控制系统中,积分项是通过累加误差来计算的。在增量式PID中,每次计算的控制增量Δu(k)仅与最近三次的误差有关,而不是所有误差的累积。因此,如果误差出现持续的小幅度变化,可能会导致积分项被截断,无法有效积累。

  • 稳态误差:由于积分项的截断效应,在系统达到稳态时,增量式PID控制器可能无法完全消除静差(稳态误差)。这是因为积分项不能充分累积误差,导致系统在设定值附近存在小的偏差。

  • 例子:假设在一个温度控制系统中,温度一直保持在设定值附近,但有细微的波动。由于增量式PID控制器的积分截断效应,这些微小的误差可能无法被充分积累,导致系统在达到稳态时仍有微小的偏差,无法精确达到设定值。

  1. 溢出的影响大
  • 在计算机系统中,数值计算有一定的范围,如果超过这个范围就会发生溢出。在增量式PID控制器中,由于每次计算的控制增量Δu(k)仅与最近三次的误差有关,如果误差变化过大或者控制输出变化过大,可能会导致数值溢出。

  • 数值溢出会导致计算结果异常,进而影响控制系统的稳定性和性能。有些被控对象对控制精度要求较高,数值溢出可能会导致严重的控制误差,甚至使系统失控。

  • 例子:在一个电机控制系统中,如果电机负载突然变化较大,增量式PID控制器计算出的控制增量Δu(k)可能会超出计算机系统的数值范围,导致溢出。这种情况下,控制输出会出现异常,可能导致电机速度波动剧烈,甚至损坏电机。

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