PID控制原理

　　導讀：當今的閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念以減少不確定性。反饋的要素包括三個(gè)部分：測量、比較和執行。在工程實(shí)際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調節。

PID控制原理——分類(lèi)

　　開(kāi)環(huán)控制

　　開(kāi)環(huán)控制系統(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(méi)有影響。在這種控制系統中，不依賴(lài)將被控量返送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。

　　閉環(huán)控制

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

　　階躍響應

　　階躍響應是指將一個(gè)階躍輸入(step function)加到系統上時(shí)，系統的輸出。穩態(tài)誤差是指系統的響應進(jìn)入穩態(tài)后，系統的期望輸出與實(shí)際輸出之差?？刂葡到y的性能可以用穩、準、快三個(gè)字來(lái)描述。穩是指系統的穩定性(stability)，一個(gè)系統要能正常工作，首先必須是穩定的，從階躍響應上看應該是收斂的;準是指控制系統的準確性、控制精度，通常用穩態(tài)誤差(Steady-state error)來(lái)描述，它表示系統輸出穩態(tài)值與期望值之差;快是指控制系統響應的快速性，通常用上升時(shí)間來(lái)定量描述。

PID控制原理——調節方法

　　PID是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種控制方式，PID調節儀表也是工業(yè)控制中最常用的儀表之一，PID 適用于需要進(jìn)行高精度測量控制的系統，可根據被控對象自動(dòng)演算出最佳PID控制參數。

　　1.PID常用口訣：

　　參數整定找最佳，從小到大順序查

　　先是比例后積分，最后再把微分加

　　曲線(xiàn)振蕩很頻繁，比例度盤(pán)要放大

　　曲線(xiàn)漂浮繞大灣，比例度盤(pán)往小扳

　　曲線(xiàn)偏離回復慢，積分時(shí)間往下降

　　曲線(xiàn)波動(dòng)周期長(cháng)，積分時(shí)間再加長(cháng)

　　曲線(xiàn)振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)

　　動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢。微分時(shí)間應加長(cháng)

　　理想曲線(xiàn)兩個(gè)波，前高后低4比1

　　一看二調多分析，調節質(zhì)量不會(huì )低

　　2.PID控制器參數的工程整定，

　　各種調節系統中P.I.D參數經(jīng)驗數據以下可參照：

　　溫度T: P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s

　　壓力P: P=30~70%,T=24~180s,

　　液位L: P=20~80%,T=60~300s,

　　流量F: P=40~100%,T=6~60s。

PID控制原理——原理特點(diǎn)

　　工程實(shí)際中，應用最為廣泛調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調節。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結構簡(jiǎn)單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制主要技術(shù)之一。當被控對象結構和參數不能完全掌握，或不到精確數學(xué)模型時(shí)，控制理論其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統控制器結構和參數必須依靠經(jīng)驗和現場(chǎng)調試來(lái)確定，這時(shí)應用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個(gè)系統和被控對象﹐或不能有效測量手段來(lái)獲系統參數時(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。PID控制器就是系統誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制。

　　比例控制

　　比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時(shí)系統輸出存在穩態(tài)誤差(Steady-state error)。

　　積分控制

　　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(gè)自動(dòng)控制系統，如果在進(jìn)入穩態(tài)后存在穩態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統是有穩態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(System with Steady-state Error)。為了消除穩態(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(shí)間的積分，隨著(zhù)時(shí)間的增加，積分項會(huì )增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進(jìn)入穩態(tài)后無(wú)穩態(tài)誤差。

　　微分控制

　　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(guān)系。自動(dòng)控制系統在克服誤差的調節過(guò)程中可能會(huì )出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節)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(shí)，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說(shuō)，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)控制器能改善系統在調節過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。