比例、積分、微分控制策略

1、比例、積分、微分控制策略盡管不同類型的控制器，其結(jié)構(gòu)、原理各不相同，但是基本控制規(guī)律只有三個：比例(P) 控制、積分(I)控制和微分(D)控制。這幾種控制規(guī)律可以單獨(dú)使用,但是更多場合是組合使用。 如比例(P)控制、比例-積分(PI)控制、比例積分-微分(PID)控制等。比例(P)控制單獨(dú)的比例控制也稱"有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系，偏差 越大輸出越大。實(shí)際應(yīng)用中，比例度的大小應(yīng)視具體情況而左，比例度太小，控制作用太弱, 不利于系統(tǒng)克服擾動，余差太大，控制質(zhì)戢差，也沒有什么控制作用；比例度太大，控制作用太 強(qiáng)，容易導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，引發(fā)振蕩。對于反應(yīng)靈敏、放

2、大能力強(qiáng)的被控對象,為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)使比例度稍小些；而對 于反應(yīng)遲鈍，放大能力又較弱的被控對象，比例度可選大一些，以提高整個系統(tǒng)的靈敏度， 也可以相應(yīng)減小余差。單純的比例控制適用于擾動不大，滯后較小,負(fù)荷變化小，要求不髙，允許有一立余差存在 的場合。工業(yè)生產(chǎn)中比例控制規(guī)律使用較為普遍。比例積分(P I )控制比例控制規(guī)律是基本控制規(guī)律中最基本的、應(yīng)用最普遍的一種，英最大優(yōu)點(diǎn)就是控制及 時、迅速。只要有偏差產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用。但是，不能最終消除余差的缺點(diǎn)限 制了它的單獨(dú)使用。克服余差的辦法是在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用。積分控制器的輸出與輸入偏差對時間的積分成正比。這里的

3、“積分”指的是“積累”的 意思。積分控制器的輸出不僅與輸入偏差的大小有關(guān)，而且還與偏差存在的時間有關(guān)。只要 偏差存在，輸出就會不斷累積(輸出值越來越大或越來越小)，一直到偏差為零，累積才會停止。 所以，積分控制可以消除余差。積分控制規(guī)律又稱無差控制規(guī)律。積分時間的大小表征了積分控制作用的強(qiáng)弱。積分時間越小，控制作用越強(qiáng);反之，控制 作用越弱。積分控制雖然能消除余差，但它存在著控制不及時的缺點(diǎn)。因為枳分輸出的累積是漸進(jìn)的, 其產(chǎn)生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時有效地克服干擾的影響,難以使控制系 統(tǒng)穩(wěn)左下來。所以,實(shí)用中一般不單獨(dú)使用積分控制，而是和比例控制作用結(jié)合起來,構(gòu)成比 例積分控

4、制。這樣取二者之長，互相彌補(bǔ)，既有比例控制作用的迅速及時，又有積分控制作用 消除余差的能力。因此，比例積分控制可以實(shí)現(xiàn)較為理想的過程控制。比例積分控制器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種控制器，多用于工業(yè)生產(chǎn)中液位、壓力、流 屋等控制系統(tǒng)。由于引入積分作用能消除余差，彌補(bǔ)了純比例控制的缺陷，獲得較好的控制 質(zhì)量。但是積分作用的引入，會使系統(tǒng)穩(wěn)左性變差。對于有較大慣性滯后的控制系統(tǒng)，要盡 量避免使用。比例微分(PD)控制比例積分控制對于時間滯后的被控對象使用不夠理想。所謂“時間滯后”指的是:當(dāng)被控 對象受到擾動作用后，被控變量沒有立即發(fā)生變化，而是有一個時間上的延遲，比如容量滯 后，此時比例積分控制顯得遲

5、鈍、不及時。為此，人們設(shè)想:能否根據(jù)偏差的變化趨勢來做 出相應(yīng)的控制動作呢?猶如有經(jīng)驗的操作人員，即可根據(jù)偏差的大小來改變閥門的開度(比例 作用)，又可根拯偏差變化的速度大小來預(yù)計將要出現(xiàn)的情況，提前進(jìn)行過疑控制，“防患于 未然”。這就是具有“超前”控制作用的微分控制規(guī)律。微分控制器輸岀的大小取決于輸入 偏差變化的速度。微分輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，而與偏差的大小以及偏差是否存在與否無關(guān)。如果 偏差為一固定值，不管多大，只要不變化，則輸岀的變化一立為零，控制器沒有任何控制作用。微 分時間越大，微分輸出維持的時間就越長，因此微分作用越強(qiáng);反之則越弱。當(dāng)微分時間為0 時，就沒有微分控制作用了。同

6、理，微分時間的選取,也是需要根據(jù)實(shí)際情況來確左的。微分控制作用的特點(diǎn)是：動作迅速，具有超前調(diào)節(jié)功能，可有效改善被控對象有較大時間滯 后的控制品質(zhì)：但是它不能消除余差，尤其是對于恒立偏差輸入時，根本就沒有控制作用。因 此，不能單獨(dú)使用微分控制規(guī)律。比例和微分作用結(jié)合，比單純的比例作用更快。尤苴是對容量滯后大的對象，可以減小動 偏差的幅度，節(jié)省控制時間，顯著改善控制質(zhì)量。比例積分微分(PID)控制最為理想的控制當(dāng)屬比例-積分一微分控制規(guī)律。它集三者之長:既有比例作用的及時迅 速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。當(dāng)偏差階躍岀現(xiàn)時,微分立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變;比例也

7、同時起消除偏差 的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比 較穩(wěn)左;而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮 三種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，得到較為理想的控制效果。引用PID 比例積分微分控制方法:原理淺釋及相關(guān)資料搜集PID原理和調(diào)節(jié)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(biāo)志。同時，控制理論 的發(fā)展也經(jīng)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。智能控制的典型實(shí) 例是模糊全自動洗衣機(jī)等。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(jī)構(gòu)、輸入輸岀接口?？刂破鞯妮?/p>

8、出經(jīng) 過輸岀接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上;控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過 輸入接口送到控制器。介不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(儀表)已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得 到了廣泛的應(yīng)用，有齊種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有P I D參數(shù)自整泄功 能的智能調(diào)節(jié)器(int ell i gent regulator),其中P I D控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智 能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位

9、控 制器,能實(shí)現(xiàn)P ID控制功能的可編程控制器(PLC),還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。 心 可編程控制器(PLC)是利用其閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn)P II)控制，而可編程控制器(PLC)可 以直接與ControlNet相連，如Rockwell的P LC-5等。還有可以實(shí)現(xiàn)PID控制功能的控制 器，如Rockwel I的Logix產(chǎn)品系列,它可以直接與ControlNet相連,利用網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn) 程控制功能。3、開環(huán)控制系統(tǒng)*開環(huán)控制系統(tǒng)(op e n- 1 o op co n t rol sy s tem)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(co n t ro 1 ler)的輸岀沒有影響

10、。在這種控制系統(tǒng)中， 不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。2、閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(c 1 o sed- I oo p control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控 制量)會反送回來影響控制器的輸岀，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反 饋，若反饋信號與系統(tǒng)給泄值信號相反，則稱為負(fù)反慣(Neg a t i v e 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(fù)反饋，又稱負(fù)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(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋, 人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出種正確的動作。如果沒有眼

11、睹，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(dāng)一臺真正的全自動洗衣機(jī)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)。3、階躍響應(yīng)亠階躍響應(yīng)是指將一個階躍輸入(ste p 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(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個字 來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)立性(stability)，個系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)泄的, 從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(Steady- s tate error)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值

12、與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的 快速性，通常用上升時間來定量描述。4、PID控制的原理和特點(diǎn)亠在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)卩器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié) 構(gòu)簡單、穩(wěn)泄性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié) 構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系 統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確怎，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。 即當(dāng)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測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時， 最適介用PID控制技術(shù)。PI

13、D控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。P I D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(jìn)行控制的。比例(P )控制比例控制是一種最簡單的控制方式。苴控制器的輸岀與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng) 僅有比例控制時系統(tǒng)輸岀存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steady sta t e error)。(2)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(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng), 如果在進(jìn)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)(S ystem with Steady-state Erro r )0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

14、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(jìn)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(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。必(3)微分(D)控制b 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(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)卩過程中可能會岀現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。英原因是由于存在有 較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后(del a y)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

15、用就應(yīng)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(yù)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(fù)值，從而避免了被控疑的 嚴(yán)重超調(diào)。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(diào) 節(jié)過程中的動態(tài)特性。5、PID控制器的參數(shù)整定上P I D控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根 拯被控過程的特性確泄PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。P I D控制器 參數(shù)整左的方法很多，概括起來有兩大類

16、：一是理論計算整泄法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué) 模型，經(jīng)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(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整左方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng) 的試驗中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握,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，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通 過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整左。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(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(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)的整泄步驟如下：(1)首先預(yù)選擇

17、一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作;2卜)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對 輸入的階躍響應(yīng)岀現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期嚴(yán)(3)在一龍的控 制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。P II)控制算法阿A I 辻續(xù)時間FTD檸制泵統(tǒng)1、PID是一個閉環(huán)控制算法。因此要實(shí)現(xiàn)PID算法，必須在硬件上具有閉環(huán)控制，就是得 有反饋。比如控制一個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就得有一個測量轉(zhuǎn)速的傳感器，并將結(jié)果反饋到控制 路線上，下而也將以轉(zhuǎn)速控制為例。2、PID是比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法。但并不是必須同時具備這三種算法，也可以 是PD,PI,甚至只有P算法控制。我以前對于閉環(huán)控制的一個最

18、樸素的想法就只有P控制， 將當(dāng)前結(jié)果反饋回來，再與目標(biāo)相減，為正的話，就減速，為負(fù)的話就加速?，F(xiàn)在知道這 只是最簡單的閉環(huán)控制算法。3、比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法各有作用：比例，反應(yīng)系統(tǒng)的基本(當(dāng)前)偏差e(t),系數(shù)大，可以加快調(diào)布，減小誤差，但過大 的比例使系統(tǒng)穩(wěn)泄性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定：積分，反應(yīng)系統(tǒng)的累訃偏差工建尸的-e(卜1) + *2) + . + &1),使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提髙無差度，因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無誤差：微分，反映系統(tǒng)偏差信號的變化率e(t)-e(t-l),具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，產(chǎn) 生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之

19、前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此可以改善系統(tǒng) 的動態(tài)性能。但是微分對噪聲干擾有放大作用，加強(qiáng)微分對系統(tǒng)抗干擾不利。積分和微分都不能單獨(dú)起作用，必須與比例控制配合。4、控制器的P,I,D項選擇。下而將常用的各種控制規(guī)律的控制特點(diǎn)簡單歸納一下：比例控制規(guī)律P:采用P控制規(guī)律能較快地克服擾動的影響，它的作用于輸出值較快,但不能很好穩(wěn)左在一個理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動的影響，但有余 差出現(xiàn)。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一 左范I罰內(nèi)有余差的場合。如：金彪公用工程部下設(shè)的水泵房冷、熱水池水位控制：汕泵房 中間油罐油位控制等。2、比例積分控制規(guī)律(P

20、I)：在工程中比例積分控制規(guī)律是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。 積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù) 不允許有余差的場合。女口：在主線窯頭重油換向室中F1401到F1419號槍的重油流量控制 系統(tǒng)；油泵房供油管流量控制系統(tǒng)：退火窯各區(qū)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。3、比例微分控制規(guī)律(PD)：微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微 分參與控制，在微分項設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果。 因此，對于控制通道的時間常數(shù)或容量滯后較大的場合，為了提髙系統(tǒng)的穩(wěn)圧性，減小動 態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。如：加熱型溫度控制、成分控制。需要

21、說明一點(diǎn)，對 于那些純滯后較大的區(qū)域里，微分項是無能為力，而在測量信號有噪聲或周期性振動的系 統(tǒng)，則也不宜采用微分控制。如：大窯玻璃液位的控制。4、例積分微分控制規(guī)律(PID)： PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ) 上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)泄性。它適用于控制通 逍時間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場合。如溫度控制、成分控制等。鑒于D規(guī)律的作用，我們還必須了解時間滯后的概念，時間滯后包括容量滯后與純滯后。 苴中容量滯后通常又包括：測量滯后和傳送滯后。測量滯后是檢測元件在檢測時需要建立 一種平衡，如熱電偶、熱電阻、壓力等響應(yīng)較慢產(chǎn)生的一種滯后

22、。而傳送滯后則是在傳感 器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備產(chǎn)生的一種控制滯后。純滯后是相對與測量滯后的，在工業(yè) 上，大多的純滯后是由于物料傳輸所致，如：大窯玻璃液位，在投料機(jī)動作到核子液位儀 檢測需要很長的一段時間?？傊?，控制規(guī)律的選用要根據(jù)過程特性和工藝要求來選取，決不是說PID控制規(guī)律在任 何情況下都具有較好的控制性能，不分場合都采用是不明智的。如果這樣做，只會給苴它 工作增加復(fù)雜性，并給參數(shù)整左帶來困難。當(dāng)采用PID控制器還達(dá)不到工藝要求，則需要 考慮其它的控制方案。如串級控制、前饋控制、大滯后控制等。5、公式：比例CP)控制器(3-2)(3-3)(3-4)u(t) =Kpe(t)比例十積分CP

23、I)控制器u(t)=%e(t)+*fe 州比例十積分十微分CPID)控制器uW = Kpe(t)十比 + %式中Kp比例放大系數(shù)，T：SR分吋間；T,微分吋間。數(shù)值pid的計算:標(biāo)準(zhǔn)的直接計算法公式：Pont (t)= Kp * e(t)十 Ki * 工 一 Kd * ( e(t) - e(t-l);上一次的計算值：Pout(Tl)=Kp * e(卜 1) +Ki * 乞 e(t-l)Kcl * (e(t-l)e(t-2);兩式相減得到增量法計算公式：Pdlt=Kp * (e(t) 一 e(Tl) + Ki * e(t) + Kd 水(e(t) - 2*e(t-l) + e(t-2):水這里我

24、們對W項的農(nóng)小應(yīng)該是對e(i)從1到t全部總和，但為了打字的簡便就記作藝6、問題。Kp,Ti,Td三個參數(shù)的設(shè)泄是PID控制算法的關(guān)鍵問題。一般說來編程時只能設(shè)立 他們的大概數(shù)值，并在系統(tǒng)運(yùn)行時通過反復(fù)調(diào)試來確立最佳值。因此調(diào)試階段程序須得能 隨時修改和記憶這三個參數(shù)。7、參數(shù)的自整定。在某些應(yīng)用場合，比如通用儀表行業(yè)，系統(tǒng)的工作對象是不確左的，不 同的對象就得采用不同的參數(shù)值，沒法為用戶設(shè)左參數(shù)，就引入?yún)?shù)自整定的概念。實(shí)質(zhì) 就是在首次使用時，通過N次測量為新的工作對象尋找一套參數(shù)，并記憶下來作為以后工 作的依據(jù)。8、pid算法流程圖:自動控制算法的學(xué)習(xí)筆記(P ID控制)待續(xù)最近被逼無奈要

25、搞ROBO CUP的路徑規(guī)劃，在控制上遇到這個經(jīng)典的算法，故總結(jié)了書上以及 網(wǎng)上的資料1. PID調(diào)試步驟沒有一種控制算法比PI D調(diào)節(jié)規(guī)律更有效、更方便的了?，F(xiàn)在一些時堂點(diǎn)的調(diào)肖器基本 源自PID。甚至可以這樣說：PID調(diào)節(jié)器是英它控制調(diào)節(jié)算法的基礎(chǔ)。»為什么PID應(yīng)用如此廣泛、又長久不衰？皿因為PID解決了自動控制理論所要解決的最 基本問題，既系統(tǒng)的穩(wěn)左性、快速性和準(zhǔn)確性。調(diào)VfPlD的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前 提下，兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力,同時，在PID調(diào)肖器中引入積分項，系統(tǒng)增加了一個零 積點(diǎn)，使之成為一階或一階以上的系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。必由于自動

26、控制系統(tǒng)被控對象的千差萬別，PID的參數(shù)也必須隨之變化，以滿足系統(tǒng)的性 能要求。這就給使用者帶來相當(dāng)?shù)穆闊?，特別是對初學(xué)者。下而簡單介紹一下調(diào)試P I D參 數(shù)的一般步驟：1. 負(fù)反饋上自動控制理論也被稱為負(fù)反饋控制理論。首先檢査系統(tǒng)接線，確左系統(tǒng)的反饋為負(fù)反饋。 例如電機(jī)調(diào)速系統(tǒng),輸入信號為正，要求電機(jī)正轉(zhuǎn)時，反饋信號也為正（P ID算法時，誤差二輸入- 反饋），同時電機(jī)轉(zhuǎn)速越髙，反饋信號越大。其余系統(tǒng)同此方法。2. PID調(diào)試一般原則»a .在輸岀不振蕩時,增大比例增益P。a b.在輸岀不振蕩時，減小積分時間常數(shù)Tioc .在輸出不振蕩時，增大微分時間常數(shù)Td°丄3.般

27、步驟a.確左比例增益P a確左比例增益P時，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令 Ti=O、Td = 0（具體見PID的參數(shù)設(shè)爼說明），使P ID為純比例調(diào)肖。輸入設(shè)泄為系統(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 例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設(shè)左P I D的比例增益P為當(dāng) 前值的6 0%7 0%。比例增益P調(diào)試完成。上b.確定積分時間常數(shù)Ti比例增益P確左后，設(shè)左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，逐漸加大Ti,直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti,設(shè)左P 1

28、D的積分 時間常數(shù)T i為當(dāng)前值的1 5 0% 1 8 0 %。積分時間常數(shù)Ti調(diào)試完成。c. 確定積分時間常數(shù)Td 4積分時間常數(shù)Td 一般不用設(shè)定，為0即可。若要設(shè)立，與確定P和Ti的方法相同，取不振蕩時的30%。d. 系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對Pl D參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。Z2.PID控制簡介目前工業(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(biāo)志。同時，控制理論 的發(fā)展也經(jīng)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。智能控制的典型實(shí) 例是模糊全自動洗衣機(jī)等。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(jī)構(gòu)、輸入輸出接口。

29、控制器的輸出經(jīng)過輸出接口、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量.經(jīng)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(jī)構(gòu)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,P I D控制及其控制器 或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣 的P I D控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整左功能的智能調(diào)節(jié)器（inte I lig e n t regulator）,其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算 法來實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度

30、、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的 可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破?PLC)是利用 其閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn)P I D控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與Co n t rolNe t相連, 如R ockwell的PLC-5等。還有可以實(shí)現(xiàn)P I D控制功能的控制器，如R o ckw e II的Lo gix產(chǎn)品系列,它可以直接與Co ntrolNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)苴遠(yuǎn)程控制功能。1上、 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)(open 1 oop c ont r o 1 syst e m)是指被控對象的輸出(被控制疑)對控制 器(contro 1 ler

31、 )的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任 何閉環(huán)回路。2、閉環(huán)控制系統(tǒng)»閉環(huán)控制系統(tǒng)(c Io s e d-l o o p contro I system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸岀，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制 系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給左值信號相反，則稱為負(fù)反饋(Negative Feed b ack),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(fù)反饋，又稱負(fù)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(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),眼睹便 是傳感器，充當(dāng)反饋,人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作

32、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(dāng)一臺貞正的全自動洗衣機(jī)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)。上 3、 階躍響應(yīng)4 階躍響應(yīng)是指將一個階躍輸入(stepfunct i on)加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸岀。 穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸岀與實(shí)際輸岀之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可 以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(s tabi 1 ity)，一個系統(tǒng)要能正常工作， 首先必須是穩(wěn)立的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度, 通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(S teady- s

33、 ta t e e rror)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(yīng)的快速性，通常用上升時間來定量描述。4、PID控制的原理和特點(diǎn)在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)肖器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制, 又稱PID調(diào)節(jié)。P I D控制器問世至今已有近70年歷史，它以苴結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)泄性好、工作 可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握， 或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必 須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確泄，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一 個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過

34、有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技 術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有P I和PD控制。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(jìn)行控制的。a 比例(P)控制比例控制是一種最簡單的控制方式。苴控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有 比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(S t e ady-state error)o比例調(diào)節(jié)作用:是按比例反應(yīng)系 統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可 以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例,使系統(tǒng)的穩(wěn)左性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)立。積分(I)控制亠 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差

35、信號的積分成正比關(guān)系。對 一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)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)(System with Steady- s tate Error) o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，它推動控制器的輸岀增大使穩(wěn)態(tài)誤差 進(jìn)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(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤 差。積分調(diào)節(jié)作用:是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)盯就進(jìn)行，直至 無差，積分調(diào)節(jié)停

36、止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時間常數(shù)Ti,Ti越小, 積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)右可使系統(tǒng)穩(wěn)左性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)i'j規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)肖器或PI I）調(diào)節(jié)器。a 微分（D）控制 a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(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)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

37、差的作用就應(yīng)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(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制 器，就能夠提前使抑制渓差的控制作用等于零,甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 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(diào)巧過程中的動 態(tài)特性。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化 的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此， 可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可

38、以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微 分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的 是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用,需要與另外兩 種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或P I D控制器。5、PID控制器的參數(shù)整泄P I D控制器的參數(shù)整左是控制系統(tǒng)設(shè)汁的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確左P I D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)整左的方法很多，槪括 起來有兩大類:一是理論汁算整左法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論汁算確左控 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(shí)際進(jìn)行調(diào)整

39、和修 改。二是工程整左方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行，且方法簡單、 易于掌握,在工程實(shí)際中被廣泛采用。P ID控制器參數(shù)的工程整左方法，主要有臨界比例法、 反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗,然后按照工程經(jīng)驗公 式對控制器參數(shù)進(jìn)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(shí)際運(yùn)行 中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。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)的整左步驟如下：（1）首先預(yù)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)巧，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)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

40、）在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。3.PID控制器參數(shù)的工程整左，各種調(diào)廿系統(tǒng)中P I D參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)以下可參照：»溫度T: P=20 6 0%, T =180600s,D=3-180s 4壓力 p： P=3070%,T= 2 41 8 Os, 液位 L: P=2080%,T=60300s, 流量 L： P =4 0 1 00%,T=660s<>4 . PID常用口訣：亠參數(shù)整泄找最佳，從小到大順序查a先是比例后積分，最后再把微分加曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大A曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳A曲線偏離回復(fù)慢，積 分時間往下降曲線波動周期長，積分時間再

41、加長曲線振蕩頻率快，先把微分降下來A動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長 理想曲線兩個波，前高后低4比2 一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)疑不會低很多兄弟姐妹來問關(guān)于PID控制器的情況，偶就結(jié)合自己的理解，盡可能淺顯的講述一 下P ID控制的槪念和如何設(shè)計一個簡單的PID控制器的設(shè)計。其目的就是有興趣朋友們可以 跟這個設(shè)計一個簡單的P 1 D控制器亠 所謂的控制首先分有反饋控制和無反饋控制，我 們當(dāng)然討論的PI D當(dāng)然是有反饋控制了。所謂的有反饋控制無非是要根據(jù)被控量的情況參與 運(yùn)算來決左操縱量的大小或者方向，那么到底如何根據(jù)被控兩來決定操縱屋的大小呢，唉，這 就有很多分類了，所謂的髙級的控制方式也就是“髙級

42、"在這個節(jié)卄眼上，有什么"自適應(yīng)控制、 模糊控制、預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家智能控制"等等(至于到底這些控制方式有什么 優(yōu)點(diǎn)，唉，我只用過PID,別的也說不淸楚，去抄書的話也沒有說服力，關(guān)鍵是也懶的去抄。 那位老弟如果要作論文,可以在這里發(fā)揮一下，資料到處都是)。但是就目前而言，在工業(yè)控制 領(lǐng)域尤其是控制系統(tǒng)的底層，PID控制算法仍然獨(dú)霸螯頭，占領(lǐng)著80%左右的市場份額， 當(dāng)然，這里所說的PID控制算法不是俠義上的固左P I D,現(xiàn)在不是講究多學(xué)科融合嗎？人們在 P I D控制規(guī)律中吸取了英他嘀級啲控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn),出現(xiàn)了諸多的新穎的控制器如自校 正PID、專家自

43、適應(yīng)PI D、預(yù)估PID、模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID、非線性P I D等新型P I D控制器。至于所謂的變種的P I D算法如什么"遇限削弱微分”微分先行，積分分離"bangba n g+PID”等等，已經(jīng)不算是什么高級的控制方式了作控制器的廠商大多都會或多等等或少 的采取一些，至于是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI D ,模糊PI D,自適應(yīng)PI I)是如何實(shí)現(xiàn)的，我所知道的就是利用 對應(yīng)的控制算法，適時的調(diào)節(jié)PID的參數(shù)。還是舉個例子吧。傳統(tǒng)PID的算法公式是：ZlU(n)=Kp e ( n )-e(n-l) + Ki e (n)+Kde(n)-2 e ( n l) + e( n -2) a U(n) = zd U (n)+U (n 1 )e (n) ,e(n-l ), e(n-2)就是歷史上的三個設(shè)立值跟過程值之間的偏差了。亠 這是一個增 屋式的P I D算式(如果有誰不明白什么式增量是算式，呵呵，可能以后會提到,偶的寫作水平 有限，不會組織內(nèi)容，再說我是想到哪，寫道哪,呵呵，見涼)。所謂的新型PID控制器，就是根據(jù)e (n)的不同，利用那些先進(jìn)的控制規(guī)律來適當(dāng)?shù)恼{(diào)整 Kp,Ki,Ke°至于怎么調(diào)整，呵呵，這就太羅嗦了，也不是這篇內(nèi)容所該介紹的，(關(guān)鍵是我也 不太淸