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(jiǎn)介PID（ProportionallntegralDerivative）控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由干其簡(jiǎn)單.魯棒性好和可靠性高.被廣泛應(yīng) 用于工業(yè)過(guò)程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。在匸程實(shí)際中.應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié).它實(shí)際上是一種算 法。PID問(wèn)世至今已有近70年歷史.它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)笊、穩(wěn)定性好、1：作可靠、調(diào)整方便而成為的主要技術(shù)之一。、”I被控對(duì)彖 的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全學(xué)握.或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí).系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依 釜經(jīng)

2、驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即、我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象.或不能通過(guò)有效的手 段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí),最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PIDc從信號(hào)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(jié)為比例、枳分、微分三種運(yùn)算及其組合。PID調(diào)節(jié)器的適用范鬧：PID調(diào)節(jié)控制是一個(gè)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(chǎng)，不同的現(xiàn) 場(chǎng)，僅僅是PID參數(shù)應(yīng)設(shè)宜不同.只要參數(shù)設(shè)置得、勺均可以達(dá)到很好的效果。均可以達(dá)到0詫甚至更商的控制要求。PID控制的不足1 在實(shí)際匸業(yè)PID控制器不能達(dá)到理想的控制效果：2在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)

3、場(chǎng)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(duì)運(yùn)行工況的 適應(yīng)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(wù)是要穩(wěn)（穩(wěn)定）、快（快速）、準(zhǔn)（準(zhǔn)確）的響應(yīng)命令。PID調(diào)整的主要工作就是如何實(shí)現(xiàn)這一 任務(wù)。増大比例系數(shù)P將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，它的作用于輸出值較快.但不能很好穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值.不良的結(jié)果是雖較能有 效的克服擾動(dòng)的影響但有余差出現(xiàn).過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)冇比較大的超調(diào)并產(chǎn)空振蕩.使穩(wěn)定件變壞。積分能在比例 的基礎(chǔ)上消除余差.它能對(duì)穩(wěn)定后有累積誤差的系統(tǒng)進(jìn)行誤差修整減小穩(wěn)態(tài)諜差。微分具有超前作用，對(duì)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(zhǔn)確 性，消除過(guò)去的累枳誤差，好比"過(guò)去"（淸除過(guò)去積怨.回到準(zhǔn)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(lái)"（放眼未來(lái).未雨綢繆，穩(wěn)定才能發(fā)展）。'“I然這個(gè)結(jié)論也不可一概而論.只是想讓初學(xué)者更加快速的埋解PID的 作用。在調(diào)整的時(shí)候，你所要做的任務(wù)就是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)允許的情況下，在這三個(gè)參數(shù)之間權(quán)衡調(diào)整.達(dá)到最佳控制效果，實(shí)現(xiàn)穩(wěn) 快準(zhǔn)的控制特點(diǎn)。PID調(diào)節(jié)器 的參數(shù).即比例系數(shù)KP、枳分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù)可迅速.準(zhǔn)確、平穩(wěn)的消除偏差.達(dá)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(hào)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(shí)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(shí)間才會(huì)緩慢變化。由于實(shí)際系統(tǒng)是有慣性的.比例作用不宜太強(qiáng)，比例作用太強(qiáng)會(huì)引起系統(tǒng)振蕩不穩(wěn)定。P參 數(shù)的大小應(yīng)在以上定址訃算的基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)情況，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試決定，通常將P參數(shù)由大向小調(diào)，以能達(dá)到垠快響應(yīng)又無(wú)超 調(diào)(或無(wú)大的超調(diào))為最佳參數(shù)°優(yōu)點(diǎn)：調(diào)整系統(tǒng)的開(kāi)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(yīng)速度。缺點(diǎn):僅用P2. 積分壞節(jié)控制器的輸岀與輸入誤差信號(hào)的枳分成

6、正比關(guān)系。主要用于消除靜差，提兩系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常 數(shù)T,T為什么要引進(jìn)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(méi)有誤差時(shí)輸 出為零，因此比例調(diào)節(jié)不可能完全消除誤差，不可能使被控的值達(dá)到給定值。必須存在一個(gè)穩(wěn)定的誤差，以維持一個(gè)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(shuō)的比例作用是有差調(diào)節(jié).是有靜差的，加強(qiáng)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(chēng)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(jìn)積分作用

7、的目的也就 是為了消除靜差，使y(t)值達(dá)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(dá)到無(wú)差涮節(jié)的效果。但由于實(shí)際系統(tǒng)是有慣性的.輸出變化后.y(t)值不會(huì)馬上變化.須等待一段時(shí)間才緩慢變化，伙I此枳分的快慢必須與實(shí)際系 統(tǒng)的慣性相匹配，慣性大、積分作用就應(yīng)該弱.積分時(shí)間I就應(yīng)該大些，反之而然。如果積分作用太強(qiáng)，積分輸出變化過(guò)快. 就會(huì)引起枳分過(guò)頭的現(xiàn)象，產(chǎn)生積分超調(diào)和振蕩。通常I參數(shù)也是由大往小調(diào)，即枳分作用由小往大調(diào)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)以能達(dá) 到快速消除誤差，達(dá)到給定值.又不引起振蕩為準(zhǔn)。稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)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(xiàng)”。枳分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分.隨著時(shí)間的増 加，積分項(xiàng)會(huì)増大。這樣，即便誤差很小.積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的増加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出増大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)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(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)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(dú)使用積分控制消除誤差時(shí)反應(yīng)不靈墩的缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：消除穩(wěn)態(tài)誤差。缺點(diǎn)：積分控制器的加入會(huì)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(hào)的變化趨第，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)

9、，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速 度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。在微分控制中.控制器的輸岀與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。為什么要引進(jìn)微分作用？ 前而產(chǎn)生的擾動(dòng)，必須等待產(chǎn)生誤差 以后，然后再來(lái)慢慢調(diào)節(jié)予以消除。但一般的控制系統(tǒng).不僅對(duì)穩(wěn)定控制有要求，而且對(duì)動(dòng)態(tài)指標(biāo)也有要求，通常都要求負(fù)載變化或給定調(diào)整等引起擾動(dòng)后恢復(fù) 到穩(wěn)態(tài)的速度要快 1*1此光有比例和枳分調(diào)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(zhēng)后調(diào)節(jié) (即發(fā)生誤差后才進(jìn)行調(diào)節(jié)).而微分作用則是爭(zhēng)前預(yù)防控制即一發(fā)現(xiàn)y(t)有變大或變小的趨勢(shì)，馬上就輸出一個(gè)阻止其變 化的控制信號(hào)以防止出現(xiàn)過(guò)沖或超調(diào)等。D越大，微分作用

10、越強(qiáng).D越小.微分作用越弱。系統(tǒng)調(diào)試時(shí)通常把D從小往大 調(diào)，具體參數(shù)由試驗(yàn)決定。如：由于給定值調(diào)整或負(fù)載擾動(dòng)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(jìn)行調(diào)節(jié)，并且誤差小時(shí).產(chǎn) 生的比例和枳分調(diào)節(jié)作用也小.糾正誤差的能力也小，誤差大時(shí).產(chǎn)生的比例和積分作用才増大。因?yàn)槭菭?zhēng)后涮節(jié)動(dòng)態(tài)指標(biāo)不 會(huì)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(shì)就開(kāi)始調(diào)節(jié)，是提前控制.所以及時(shí)性更好.可以P和I調(diào)好后再由小往大調(diào).一點(diǎn)一點(diǎn)試著加上去。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō).在控制湍中僅引入“比例"項(xiàng)往往是不夠的比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅 值，而目前需嬰增加的是“微分項(xiàng)” 它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。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(fù)值.從而避免了被控址的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象.比例微分(PD)控制器 能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。PD控制只在動(dòng)態(tài)過(guò)程中才起作用.對(duì)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(lè)獨(dú)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(yīng)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(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、枳分時(shí)間和微分時(shí) 間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多概括起來(lái)有兩大類(lèi)：1 理論計(jì)算整定法它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)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(guò)工程 實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。2 匸程整定方法它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn).直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于學(xué)握.在工程實(shí)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(yīng)曲線法和袞減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn).然后按照匸程經(jīng)驗(yàn) 公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)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(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(D首先預(yù)選擇一個(gè)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(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩.記下這時(shí)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(guò)公式訃算得到PID控制器的參數(shù)。PID調(diào)試一般原則a在輸出不振蕩時(shí)，増大比例增益P。b在輸出不振蕩時(shí)減小枳分時(shí)間常數(shù)Ti。c在輸出不振蕩時(shí)，増大微分時(shí)間常數(shù)TdoPID調(diào)試一般步驟a確定比例増益P確定比例増益P時(shí)，首先去掉PID的枳分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是令Ti=0. Td=0 （具體見(jiàn)PID的參數(shù)設(shè)定說(shuō)明），使PID為 純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)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(guò)來(lái).從此時(shí)的 比例増益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失.記錄此時(shí)的比例増益P設(shè)定PID的比例增益P為十前值的60%、70%。比例増益P 調(diào)試完成。b確定積分時(shí)間常數(shù)門(mén)比例増益P確定后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)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(guò)來(lái).逐