詳解PID控制各環(huán)節(jié)

1、詳解PID控制各環(huán)節(jié)一、PID控制簡介PID（ProportionallntegralDerivative）控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由干其簡單.魯棒性好和可靠性高.被廣泛應 用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。在匸程實際中.應用最為廣泛的調節(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).它實際上是一種算 法。PID問世至今已有近70年歷史.它以其結構簡笊、穩(wěn)定性好、1：作可靠、調整方便而成為的主要技術之一。、”I被控對彖 的結構和參數(shù)不能完全學握.或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時.系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依 釜經(jīng)

2、驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即、我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象.或不能通過有效的手 段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時,最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PIDc從信號變換的角度而言.超前校正、滯后校正.滯后一超前校正可以總結為比例、枳分、微分三種運算及其組合。PID調節(jié)器的適用范鬧：PID調節(jié)控制是一個傳統(tǒng)控制方法，它適用干溫度、壓力.流雖、液位等幾乎所有現(xiàn)場，不同的現(xiàn) 場，僅僅是PID參數(shù)應設宜不同.只要參數(shù)設置得、勺均可以達到很好的效果。均可以達到0詫甚至更商的控制要求。PID控制的不足1 在實際匸業(yè)PID控制器不能達到理想的控制效果：2在實際生產(chǎn)現(xiàn)

3、場中，由于受到參數(shù)整定方法煩朵的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、效果欠佳.對運行工況的 適應能力很差。二、PID控制器各校正環(huán)節(jié)任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要任務是要穩(wěn)（穩(wěn)定）、快（快速）、準（準確）的響應命令。PID調整的主要工作就是如何實現(xiàn)這一 任務。増大比例系數(shù)P將加快系統(tǒng)的響應，它的作用于輸出值較快.但不能很好穩(wěn)定在一個理想的數(shù)值.不良的結果是雖較能有 效的克服擾動的影響但有余差出現(xiàn).過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)冇比較大的超調并產(chǎn)空振蕩.使穩(wěn)定件變壞。積分能在比例 的基礎上消除余差.它能對穩(wěn)定后有累積誤差的系統(tǒng)進行誤差修整減小穩(wěn)態(tài)諜差。微分具有超前作用，對丁具仃容吊滯后的 控制通道.引入微分

4、參打控制綜上所述.P（現(xiàn)在就起作用，快）.1 一積分控制系統(tǒng)的準確 性，消除過去的累枳誤差，好比"過去"（淸除過去積怨.回到準確軌道） D微分控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性.具有超前控制作用. 好比"未來"（放眼未來.未雨綢繆，穩(wěn)定才能發(fā)展）。'“I然這個結論也不可一概而論.只是想讓初學者更加快速的埋解PID的 作用。在調整的時候，你所要做的任務就是在系統(tǒng)結構允許的情況下，在這三個參數(shù)之間權衡調整.達到最佳控制效果，實現(xiàn)穩(wěn) 快準的控制特點。PID調節(jié)器 的參數(shù).即比例系數(shù)KP、枳分時間常數(shù)Ti和微分時間常數(shù)可迅速.準確、平穩(wěn)的消除偏差.達到良好的控制效果。1.

5、 比例環(huán)節(jié) 成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。節(jié)僅有比例控制時系統(tǒng)輸 出存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steadystateerror)。Py(t)值變化 還需等待一段時間才會緩慢變化。由于實際系統(tǒng)是有慣性的.比例作用不宜太強，比例作用太強會引起系統(tǒng)振蕩不穩(wěn)定。P參 數(shù)的大小應在以上定址訃算的基礎上根據(jù)系統(tǒng)響應情況，現(xiàn)場調試決定，通常將P參數(shù)由大向小調，以能達到垠快響應又無超 調(或無大的超調)為最佳參數(shù)°優(yōu)點：調整系統(tǒng)的開環(huán)比例系數(shù).提島系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，減低系統(tǒng)的惰性.加快響應速度。缺點:僅用P2. 積分壞節(jié)控制器的輸岀與輸入誤差信號的枳分成

6、正比關系。主要用于消除靜差，提兩系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常 數(shù)T,T為什么要引進枳分作用？比例作用的輸出與誤差的大小成正比.誤差越大，輸出越大.誤差越小，輸岀越小.誤差為零，輸岀為寥。由于沒有誤差時輸 出為零，因此比例調節(jié)不可能完全消除誤差，不可能使被控的值達到給定值。必須存在一個穩(wěn)定的誤差，以維持一個穩(wěn)定的輸 出，才能使系統(tǒng)的PV值保持穩(wěn)定。這就是通常所說的比例作用是有差調節(jié).是有靜差的，加強比例作用只能減少靜差，不能 消除靜差(靜差：即靜態(tài)誤差.也稱穩(wěn)態(tài)誤差)。為J'消除靜差必須引入積分作用.積分作用可以消除靜差，以使被控的y(t)值最后與給定值一致。引進積分作用

7、的目的也就 是為了消除靜差，使y(t)值達到給定值并保持一致。PV值保持穩(wěn)定，y(t)值等于u(t)值，達到無差涮節(jié)的效果。但由于實際系統(tǒng)是有慣性的.輸出變化后.y(t)值不會馬上變化.須等待一段時間才緩慢變化，伙I此枳分的快慢必須與實際系 統(tǒng)的慣性相匹配，慣性大、積分作用就應該弱.積分時間I就應該大些，反之而然。如果積分作用太強，積分輸出變化過快. 就會引起枳分過頭的現(xiàn)象，產(chǎn)生積分超調和振蕩。通常I參數(shù)也是由大往小調，即枳分作用由小往大調，觀察系統(tǒng)響應以能達 到快速消除誤差，達到給定值.又不引起振蕩為準。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)(SystemwithStea dy-stat

8、eError)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制湍中必須引入“積分項”。枳分項對誤差取決于時間的積分.隨著時間的増 加，積分項會増大。這樣，即便誤差很小.積分項也會隨著時間的増加而加大，它推動控制器的輸出増大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減 小，直到等于零。因此.比例十積分(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。PI控制器不但保持了積分控制器消除 穩(wěn)態(tài)誤差的“記憶功能”，而且克服了爪獨使用積分控制消除誤差時反應不靈墩的缺點。優(yōu)點：消除穩(wěn)態(tài)誤差。缺點：積分控制器的加入會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度減小。3. 微分環(huán)節(jié)反映倫差信號的變化趨第，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號

9、，從而加快系統(tǒng)的動作速 度，減少調節(jié)時間。在微分控制中.控制器的輸岀與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關系。為什么要引進微分作用？ 前而產(chǎn)生的擾動，必須等待產(chǎn)生誤差 以后，然后再來慢慢調節(jié)予以消除。但一般的控制系統(tǒng).不僅對穩(wěn)定控制有要求，而且對動態(tài)指標也有要求，通常都要求負載變化或給定調整等引起擾動后恢復 到穩(wěn)態(tài)的速度要快 1*1此光有比例和枳分調節(jié)作用還不能完全滿足要求，必須引入微分作用。比例作用和積分作用是爭后調節(jié) (即發(fā)生誤差后才進行調節(jié)).而微分作用則是爭前預防控制即一發(fā)現(xiàn)y(t)有變大或變小的趨勢，馬上就輸出一個阻止其變 化的控制信號以防止出現(xiàn)過沖或超調等。D越大，微分作用

10、越強.D越小.微分作用越弱。系統(tǒng)調試時通常把D從小往大 調，具體參數(shù)由試驗決定。如：由于給定值調整或負載擾動引起y(t)變化，比例作用和微分作用一定等到y(tǒng)(t)值變化后才進行調節(jié)，并且誤差小時.產(chǎn) 生的比例和枳分調節(jié)作用也小.糾正誤差的能力也小，誤差大時.產(chǎn)生的比例和積分作用才増大。因為是爭后涮節(jié)動態(tài)指標不 會很理想。而微分作用可以在產(chǎn)生誤差之前一發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)生誤差的趨勢就開始調節(jié)，是提前控制.所以及時性更好.可以P和I調好后再由小往大調.一點一點試著加上去。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會岀現(xiàn)振蕩縣至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組杵(環(huán)節(jié))或有滯后(delay) 組件.具有抑制誤差的

11、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.在控制湍中僅引入“比例"項往往是不夠的比例項的作用僅是放大誤差的幅 值，而目前需嬰增加的是“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.從而避免了被控址的嚴重超調。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。PD控制只在動態(tài)過程中才起作用.對恒定穩(wěn)態(tài)情況起阻斷作用?；颕此，微分控制在任 何情況下都不能樂獨使用。在低頻段.主要是PIPD

12、規(guī)律起作用増大截止頻 率和相角裕度.提高響應速度。因此.控制器可以全面地提高系統(tǒng)的控制性能。三. PID控制器的參數(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)、枳分時間和微分時 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：1 理論計算整定法它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論il算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的訃算數(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。2 匸程整定方法它主要依賴工程經(jīng)驗.直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于學握.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

13、比例法、反應曲線法和袞減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗.然后按照匸程經(jīng)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最后調整與完善c現(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：(D首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)L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訃算得到PID控制器的參數(shù)。PID調試一般原則a在輸出不振蕩時，増大比例增益P。b在輸出不振蕩時減小枳分時間常數(shù)Ti。c在輸出不振蕩時，増大微分時間常數(shù)TdoPID調試一般步驟a確定比例増益P確定比例増益P時，首先去掉PID的枳分項和微分項，一般是令Ti=0. Td=0 （具體見PID的參數(shù)設定說明），使PID為 純比例調節(jié)。輸入設定為系統(tǒng)允許的最大值的60%"70%,由0逐漸加大比例增益P.直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩：再反過來.從此時的 比例増益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失.記錄此時的比例増益P設定PID的比例增益P為十前值的60%、70%。比例増益P 調試完成。b確定積分時間常數(shù)門比例増益P確定后，設定一個較大的積分時間常數(shù)Ti的初值.然后逐漸減小Ti,直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來.逐