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(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志,。同時(shí),，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(gè)階段,。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等,。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),。一個(gè)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�,？刂破鞯妮敵鼋�(jīng)過(guò)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(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(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(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(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正,、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn),。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度,、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,。 可編程控制器(PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來(lái)實(shí)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(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。
1,、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)
開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒(méi)有影響,。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來(lái)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(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出,，形成一個(gè)或多個(gè)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(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)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(gè)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(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(tǒng),。另例,，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)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(dòng)切斷電源,，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng),。
3、階躍響應(yīng)
階躍響應(yīng)是指將一個(gè)階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時(shí),，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(gè)字來(lái)描述,。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability)，一個(gè)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(lái)(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(shí)間來(lái)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)節(jié)器控制規(guī)律為比例,、積分、微分控制,，簡(jiǎn)稱PID控制,，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史,，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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(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)必須依靠經(jīng)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,。即當(dāng)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)有效的測(cè)量手段來(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。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,，利用比例,、積分、微分計(jì)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(jiǎn)單的控制方式,。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)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(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)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(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)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(xiàng)”,。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加,，積分項(xiàng)會(huì)增大,。這樣，即便誤差很小,，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大,，它推動(dòng)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(wú)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(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 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)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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零,。這就是說(shuō),，在控制器中僅引入“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,，而目前需要增加的是“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,，從而避免了被控量的嚴(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,。
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(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),、積分時(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：一是理論計(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)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)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,。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(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(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(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。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：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)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(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)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。