什么是pid控制，什么是pid控制器

所謂PID控制，就是在一個(gè)閉環(huán)控制系統中，使被控物理量能夠迅速而準確地無(wú)限接近于控制目標的一種手段。 PID 控制功能是變頻器應用技術(shù)的重要領(lǐng)域之一，也是變頻器發(fā)揮其卓越效能的重要技術(shù)手段。

變頻調速產(chǎn)品的設計、運行、維護人員應該充分熟悉并掌握 PID 控制的基本理論。

PID控制簡(jiǎn)介

目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現代化水平的一個(gè)重要標志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機等。自動(dòng)控制系統可分為開(kāi)環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統。一個(gè)控制系統包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執行機構﹑輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口﹑執行機構﹐加到被控系統上﹔控制系統的被控量﹐經(jīng)過(guò)傳感器﹐變送器﹐通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統﹐其傳感器﹑變送器﹑執行機構是不一樣的。比如壓力控制系統要采用壓力傳感器。電加熱控制系統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用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數自整定功能的智能調節器(intelligent regulator)，其中PID控制器參數的自動(dòng)調整是通過(guò)智能化調整或自校正、自適應算法來(lái)實(shí)現。有利用PID控制實(shí)現的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現PID控制的PC系統等等。 可編程控制器(PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來(lái)實(shí)現PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實(shí)現PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現其遠程控制功能。

PID調試步驟

　　沒(méi)有一種控制算法比PID調節規律更有效、更方便的了?，F在一些時(shí)髦點(diǎn)的調節器基本源自PID。甚至可以這樣說(shuō)：PID調節器是其它控制調節算法的嗎。

　　為什么PID應用如此廣泛、又長(cháng)久不衰？

因為PID解決了自動(dòng)控制理論所要解決的最基本問(wèn)題，既系統的穩定性、快速性和準確性。調節PID的參數，可實(shí)現在系統穩定的前提下，兼顧系統的帶載能力和抗擾能力，同時(shí)，在PID調節器中引入積分項，系統增加了一個(gè)零積點(diǎn)，使之成為一階或一階以上的系統，這樣系統階躍響應的穩態(tài)誤差就為零。

　　由于自動(dòng)控制系統被控對象的千差萬(wàn)別，PID的參數也必須隨之變化，以滿(mǎn)足系統的性能要求。這就給使用者帶來(lái)相當的麻煩，特別是對初學(xué)者。下面簡(jiǎn)單介紹一下調試PID參數的一般步驟：

　　1．負反饋

　　自動(dòng)控制理論也被稱(chēng)為負反饋控制理論。首先檢查系統接線(xiàn)，確定系統的反饋為負反饋。例如電機調速系統，輸入信號為正，要求電機正轉時(shí)，反饋信號也為正（PID算法時(shí)，誤差=輸入-反饋），同時(shí)電機轉速越高，反饋信號越大。其余系統同此方法。

　　2．PID調試一般原則

　　a.在輸出不振蕩時(shí)，增大比例增益P。

　　b.在輸出不振蕩時(shí)，減小積分時(shí)間常數Ti。

　　c.在輸出不振蕩時(shí)，增大微分時(shí)間常數Td。

　　3．一般步驟

　　a.確定比例增益P

　　確定比例增益P 時(shí)，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令Ti=0、Td=0（具體見(jiàn)PID的參數設定說(shuō)明），使PID為純比例調節。輸入設定為系統允許的最大值的60%~70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統出現振蕩；再反過(guò)來(lái)，從此時(shí)的比例增益P逐漸減小，直至系統振蕩消失，記錄此時(shí)的比例增益P，設定PID的比例增益P為當前值的60%~70%。比例增益P調試完成。

　　b.確定積分時(shí)間常數Ti

　　比例增益P確定后，設定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統出現振蕩，之后在反過(guò)來(lái)，逐漸加大Ti，直至系統振蕩消失。記錄此時(shí)的Ti，設定PID的積分時(shí)間常數Ti為當前值的150%~180%。積分時(shí)間常數Ti調試完成。

　　c.確定積分時(shí)間常數Td

　　積分時(shí)間常數Td一般不用設定，為0即可。若要設定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時(shí)的30%。

　　d.系統空載、帶載聯(lián)調，再對PID參數進(jìn)行微調，直至滿(mǎn)足要求。

PID 控制的實(shí)現

1． PID 的反饋邏輯

各種變頻器的反饋邏輯稱(chēng)謂各不相同，甚至有類(lèi)似的稱(chēng)謂而含義相反的情形。系統設計時(shí)應以所選用變頻器的說(shuō)明書(shū)介紹為準。所謂反饋邏輯，是指被控物理量經(jīng)傳感器檢測到的反饋信號對變頻器輸出頻率的控制極性。例如中央空調系統中，用回水溫度控制調節變頻器的輸出頻率和水泵電機的轉速。冬天制熱時(shí)，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說(shuō)明房間溫度低，要求提高變頻器輸出頻率和電機轉速，加大熱水的流量；而夏天制冷時(shí)，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說(shuō)明房間溫度過(guò)低，可以降低變頻器的輸出頻率和電機轉速．減少冷水的流量。由上可見(jiàn)，同樣是溫度偏低，反饋信號減小，但要求變頻器的頻率變化方向卻是相反的。這就是引入反饋邏輯的原由。幾種變頻器反饋邏輯的功能選擇見(jiàn)表 1 。

2．打開(kāi) PID 功能

要實(shí)現閉環(huán)的 PID 控制功能，首先應將 PID 功能預置為有效。具體方法有兩種：一是通過(guò)變頻器的功能參數碼預置，例如，康沃 CVF-G2 系列變頻器，將參數 H-48 設為 O 時(shí)，則無(wú) PID 功能；設為 1 時(shí)為普通 PID 控制；設為 2 時(shí)為恒壓供水 PID 。二是由變頻器的外接多功能端子的狀態(tài)決定。例如安川 CIMR-G 7A 系列變頻器，如圖 1 所示，在多功能輸入端子 Sl-S10 中任選一個(gè)，將功能碼 H1-01 ～ H1-10( 與端子 S1-S10 相對應 ) 預置為 19 ，則該端子即具有決定 PI[) 控制是否有效的功能，該端子與公共端子 SC “ ON ”時(shí)無(wú)效，“ OFF ”時(shí)有效。應注意的是．大部分變頻器兼有上述兩種預置方式，但有少數品牌的變頻器只有其中的一種方式。

在一些控制要求不十分嚴格的系統中，有時(shí)僅使用 PI 控制功能、不啟動(dòng) D 功能就能滿(mǎn)足需要，這樣的系統調試過(guò)程比較簡(jiǎn)單。

3 ．目標信號與反饋信號

欲使變頻系統中的某一個(gè)物理量穩定在預期的目標值上，變頻器的 PID 功能電路將反饋信號與目標信號不斷地進(jìn)行比較，并根據比較結果來(lái)實(shí)時(shí)地調整輸出頻率和電動(dòng)機的轉速。所以，變頻器的 PID 控制至少需要兩種控制信號：目標信號和反饋信號。這里所說(shuō)的目標信號是某物理量預期穩定值所對應的電信號，亦稱(chēng)目標值或給定值；而該物理量通過(guò)傳感器測量到的實(shí)際值對應的電信號稱(chēng)為反饋信號，亦稱(chēng)反饋量或當前值。 PID 控制的功能示意圖見(jiàn)圖 2 。圖中有一個(gè) PID 開(kāi)關(guān)?？赏ㄟ^(guò)變頻器的功能參數設置使 PID 功能有效或無(wú)效。 PID 功能有效時(shí)，由 PID 電路決定運行頻率； PID 功能無(wú)效時(shí)，由頻率設定信號決定運行頻率。 PID 開(kāi)關(guān)、動(dòng)作選擇開(kāi)關(guān)和反饋信號切換開(kāi)關(guān)均由功能參數的設置決定其工作狀態(tài)。

4 ．目標值給定

如何將目標值 ( 目標信號 ) 的命令信息傳送給變頻器，各種變頻器選擇了不同的方法，而歸結起來(lái)大體上有如下兩種方案：一是自動(dòng)轉換法，即變頻器預置 PID 功能有效時(shí)，其開(kāi)環(huán)運行時(shí)的頻率給定功能自動(dòng)轉為目標值給定．如表 2 中的安川 CIMR-G 7A 與富士 P11S 變頻器。二是通道選擇法，如表 2 中的康沃 CVF-G2 、森蘭 SB12 和普傳 P17000 系列變頻器。

以上介紹了目標信號的輸入通道，接著(zhù)要確定目標值的大小。由于目標信號和反饋信號通常不是同一種物理量。難以進(jìn)行直接比較，所以，大多數變頻器的目標信號都用傳感器量程的百分數來(lái)表示。例如，某儲氣罐的空氣壓力要求穩定在 1 ． 2MPa ，壓力傳感器的量程為 2MPa ，則與 1 ． 2MPa 對應的百分數為 60 ％，目標值就是 60 ％。而有的變頻器的參數列表中，有與傳感器量程上下限值對應的參數，例如富士 P11S 變頻器，將參數 E40( 顯示系數 A) 設為 2 ，即壓力傳感器的量程上限 2MPa ：參數 E41( 顯示系數 B) 設為 0 ，即量程下限為 0 ，則目標值為 1 ． 2 。即壓力穩定值為 1 ． 2 MPa 。目標值即是預期穩定值的絕對值。

5 ．反饋信號的連接

各種變頻器都有若干個(gè)頻率給定輸入端，在這些輸入端子中，如果已經(jīng)確定一個(gè)為目標信號的輸入通道，則其他輸入端子均可作為反饋信號的輸入端?？赏ㄟ^(guò)相應的功能參數碼選擇其中的一個(gè)使用。比較典型的幾種變頻器反饋信號通道選擇見(jiàn)表 3 。

6 ． P 、 I 、 D 參數的預置與調整

(1) 比例增益 P

變頻器的 PID 功能是利用目標信號和反饋信號的差值來(lái)調節輸出頻率的，一方面，我們希望目標信號和反饋信號無(wú)限接近，即差值很小，從而滿(mǎn)足調節的精度：另一方面，我們又希望調節信號具有一定的幅度，以保證調節的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號進(jìn)行放大。比例增益 P 就是用來(lái)設置差值信號的放大系數的。任何一種變頻器的參數 P 都給出一個(gè)可設置的數值范圍，一般在初次調試時(shí)， P 可按中間偏大值預置．或者暫時(shí)默認出廠(chǎng)值，待設備運轉時(shí)再按實(shí)際情況細調。

(2) 積分時(shí)間

如上所述．比例增益 P 越大，調節靈敏度越高，但由于傳動(dòng)系統和控制電路都有慣性，調節結果達到最佳值時(shí)不能立即停止，導致“超調”，然后反過(guò)來(lái)調整，再次超調，形成振蕩。為此引入積分環(huán)節 I ，其效果是，使經(jīng)過(guò)比例增益 P 放大后的差值信號在積分時(shí)間內逐漸增大 ( 或減小 ) ，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時(shí)間 I 太長(cháng)，又會(huì )當反饋信號急劇變化時(shí)，被控物理量難以迅速恢復。因此， I 的取值與拖動(dòng)系統的時(shí)間常數有關(guān)：拖動(dòng)系統的時(shí)間常數較小時(shí)，積分時(shí)間應短些；拖動(dòng)系統的時(shí)間常數較大時(shí)，積分時(shí)間應長(cháng)些。

(3) 微分時(shí)間 D

微分時(shí)間 D 是根據差值信號變化的速率，提前給出一個(gè)相應的調節動(dòng)作，從而縮短了調節時(shí)間，克服因積分時(shí)間過(guò)長(cháng)而使恢復滯后的缺陷。 D 的取值也與拖動(dòng)系統的時(shí)間常數有關(guān)：拖動(dòng)系統的時(shí)間常數較小時(shí)，微分時(shí)間應短些；反之，拖動(dòng)系統的時(shí)間常數較大時(shí)， 微分時(shí)間應長(cháng)些。

(4)P 、 I 、 D 參數的調整原則

P 、 I 、 D 參數的預置是相輔相成的，運行現場(chǎng)應根據實(shí)際情況進(jìn)行如下細調：被控物理量在目標值附近振蕩，首先加大積分時(shí)間 I ，如仍有振蕩，可適當減小比例增益 P 。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復，首先加大比例增益 P ，如果恢復仍較緩慢，可適當減小積分時(shí)間 I ，還可加大微分時(shí)間 D 。