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    PID控制概述

    2017-06-21 08:50:44  來源：“水興閥門”ENG
    PID控制概述
    ——上海水興閥門有限公司ENG
           當今的閉環(huán)自動控制技術都是基于反饋的概念以減少不確定性。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關鍵的是被控變量的實際值，與期望值相比較，用這個偏差來糾正系統(tǒng)的響應，執(zhí)行調節(jié)控制。在工程實際中，應用*為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。
            PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個在工業(yè)控制應用中常見的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制的基礎是比例控制；積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調；微分控制可加快大慣性系統(tǒng)響應速度以及減弱超調趨勢。
        這個理論和應用的關鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。
    PID（比例（proportion）、積分（integral）、導數(shù)（derivative））控制器作為*早實用化的控制器已有近百年歷史，現(xiàn)在仍然是應用*廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用*為廣泛的控制器。
    中文名
    PID控制
    應用領域
    工業(yè)控制器
    PID控制器
    比例-積分-導數(shù)控制器
    作    用
    測量和比較，糾正系統(tǒng)

    目錄

    00001. 1 含義
    00002. 2 用途
    00003. 3 意義
    00004. 4 系統(tǒng)分類
    00001.  開環(huán)控制
    00002.  閉環(huán)控制
    00003.  階躍響應
    00004. 5 調節(jié)方法
    00005. 6 原理
    00001.  比例（P）控制
    00002.  積分（I）控制
    00003.  微分（D）控制
    00004. 7 參數(shù)整定

    含義

    PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t）與輸出u(t）的關系為：
    u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]式中積分的上下限分別是0和t
    因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]
    其中kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

    用途

    它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產品，使用中只需設定三個參數(shù)（Kp，Ti和Td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。
    首先，PID應用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。
    其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。
    第三，PID控制器在實踐中也不斷的得到改進
    PID在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結構不確定的復雜過程時，工作得不是太好。*重要的是，如果PID控制器不能控制復雜過程，無論怎么調參數(shù)都沒用。
    雖然有這些缺點，但簡單的PID控制器有時卻是*好的控制器。

    意義

    目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發(fā)展也經歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構、輸入輸出接口�？刂破鞯妮敵鼋涍^輸出接口、執(zhí)行機構，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機構是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器，電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已經很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器產品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調節(jié)器(intelligent regulator），其中PID控制器參數(shù)的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC），還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等�？删幊炭刂破鳎�PLC)是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制，而可編程控制器（PLC）可以直接與ControlNet相連，還有可以實現(xiàn)PID控制功能的控制器，它可以直接與ControlNet相連，利用網絡來實現(xiàn)其遠程控制功能。

    系統(tǒng)分類

    開環(huán)控制

    開環(huán)控制系統(tǒng)（open-loop control system）是指被控對象的輸出（被控制量）對控制器（controller）的輸入沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量返送回來以形成任何閉環(huán)回路。

    閉環(huán)控制

    閉環(huán)控制系統(tǒng)（closed-loop control system）是指被控對象的輸出（被控制量）會反送回來影響控制器的輸入，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋（Negative Feedback），若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正*后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當一臺真正的全自動洗衣機具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動切斷電源，它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

    階躍響應

    階躍響應是指將一個階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應進入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差。控制系統(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性（stability），一個系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應上看應該是收斂的；準是指控制系統(tǒng)的準確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）來描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應的快速性，通常用上升時間來定量描述。

    調節(jié)方法

    PID是工業(yè)生產中*常用的一種控制方式，PID調節(jié)儀表也是工業(yè)控制中*常用的儀表之一，PID適用于需要進行高精度測量控制的系統(tǒng)，可根據(jù)被控對象自動演算出*佳PID控制參數(shù)。
    PID參數(shù)自整定控制儀可選擇外給定（或閥位）控制功能。可取代伺服放大器直接驅動執(zhí)行機構（如閥門等）。PID外給定（或閥位）控制儀可自動跟隨外部給定值（或閥位反饋值）進行控制輸出（模擬量控制輸出或繼電器正轉、反轉控制輸出）�？蓪崿F(xiàn)自動/手動無擾動切換。手動切換至自動時，采用逼近法計算，以實現(xiàn)手動/自動的平穩(wěn)切換。PID外給定（或閥位）控制儀可同時顯示測量信號及閥位反饋信號。
    PID光柱顯示控制儀集數(shù)字儀表與模擬儀表于一體，可對測量值及控制目標值進行數(shù)字量顯示（雙LED數(shù)碼顯示），并同時對測量值及控制目標值進行相對模擬量顯示（雙光柱顯示），顯示方式為雙LED數(shù)碼顯示+雙光柱模擬量顯示，使測量值的顯示更為清晰直觀。
    PID參數(shù)自整定控制儀可隨意改變儀表的輸入信號類型。采用*新無跳線技術，只需設定儀表內部參數(shù)，即可將儀表從一種輸入信號改為另一種輸入信號。
    PID參數(shù)自整定控制儀可選擇帶有一路模擬量控制輸出（或開關量控制輸出、繼電器和可控硅正轉、反轉控制）及一路模擬量變送輸出，可適用于各種測量控制場合。
    PID參數(shù)自整定控制儀支持多機通訊，具有多種標準串行雙向通訊功能，可選擇多種通訊方式，如RS-232、RS-485、RS-422等，通訊波特率300～9600bps儀表內部參數(shù)自由設定�？膳c各種帶串行輸入輸出的設備（如電腦、可編程控制器、PLC等）進行通訊，構成管理系統(tǒng)。

    原理

    PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

    比例（P）控制

    比例控制是一種*簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

    積分（I）控制

    在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。

    微分（D）控制

    在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。

    參數(shù)整定

    PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。
    PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。
    PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行*后調整與完善�，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。
    利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：
    1）首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；
    2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；
    3）在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。
     
     PID控制原理圖

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    王世杰
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