什么是PID調(diào)節(jié)及PID調(diào)節(jié)的基本原理
關(guān)鍵詞： PID 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,。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等,。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)行機構(gòu),、輸入輸出接口�,？刂破鞯妮敵鼋�(jīng)過輸出接口,、執(zhí)行機構(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)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用,，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品,，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent 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)算法來實現(xiàn),。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度,、流量,、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC),，還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等,。 可編程控制器(PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)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,。還有可以實現(xiàn)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)來實現(xiàn)其遠程控制功能。
1,、開環(huán)控制系統(tǒng)
開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)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)(closed-loop control system)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，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)給定值信號相反,，則稱為負(fù)反饋( Negative 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)一臺真正的全自動洗衣機具有能連續(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)
階躍響應(yīng)是指將一個階躍輸入（step 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)進入穩(wěn)態(tài)后,，系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差�,？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)定性(stability),，一個系統(tǒng)要能正常工作,，首先必須是穩(wěn)定的,，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-state error)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
在工程實際中,，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)定性好、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)試來確定，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，最適合用PID控制技術(shù),。PID控制,，實際中也有PI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行控制的,。
比例（P）控制
比例控制是一種最簡單的控制方式,。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）,。
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-state Error）。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,，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小,，直到等于零。因此,，比例+積分(PI)控制器,，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。
微分（D）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,，就能夠提前使抑制誤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)節(jié)過程中的動態(tài)特性。
5,、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)計的核心內(nèi)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)、積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：一是理論計算整定法。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,，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改,。二是工程整定方法，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,、易于掌握，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,，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法,。三種方法各有其特點,，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(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(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法,。利用該方法進行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(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)節(jié)，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)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。