PID算法和控制知識(shí)簡介

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PID控制的概念介紹
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概述　　當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念,。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測量,、比較和執(zhí)行,。測量關(guān)心的變量,，與期望值相比較,，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng),。
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　　這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是,，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng),。
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　　PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史,，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂,，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件,，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。

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/ x. D$ D/ V/ n) s　　PID控制器由比例單元（P）,、積分單元（I）和微分單元（D）組成,。其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為
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9 y: D3 m' \% |) O　　u(t)=kp(e((t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是0和t

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" I# S9 D0 {9 _4 }2 d" d6 ^8 H　　因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)

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　　其中kp為比例系數(shù)； TI為積分時(shí)間常數(shù),； TD為微分時(shí)間常數(shù)
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8 |- W/ v0 K; j5 p( o: |$ [% w9 S2 {0 c基本用途　　它由于用途廣泛,、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品,，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（Kp,， Ti和Td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元,，可以取其中的一到兩個(gè)單元,，但比例控制單元是必不可少的。


　　首先,，PID應(yīng)用范圍廣,。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時(shí)變的，但通過對(duì)其簡化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng),，這樣PID就可控制了,。
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　　其次，PID參數(shù)較易整定,。也就是,，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定,。如果過程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化,，PID參數(shù)就可以重新整定,。

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　　第三，PID控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn),，下面兩個(gè)改進(jìn)的例子,。
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　　在工廠，總是能看到許多回路都處于手動(dòng)狀態(tài),，原因是很難讓過程在“自動(dòng)”模式下平穩(wěn)工作,。由于這些不足，采用PID的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量,、安全,、產(chǎn)量和能源浪費(fèi)等問題的困擾。PID參數(shù)自整定就是為了處理PID參數(shù)整定這個(gè)問題而產(chǎn)生的�,，F(xiàn)在,，自動(dòng)整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
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　　在一些情況下針對(duì)特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PID控制器控制得很好,，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩栴}需要解決：

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5 v+ Z5 k. p% r; F　　如果自整定要以模型為基礎(chǔ),，為了PID參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環(huán)工作時(shí),，要求在過程中插入一個(gè)測試信號(hào),。這個(gè)方法會(huì)引起擾動(dòng)，所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好,。


　　如果自整定是基于控制律的,，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過程動(dòng)態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來，因此受到干擾的影響控制器會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個(gè)不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換,。另外,，由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問題,。


& @- r$ P4 O: l% z: o, b% t3 F　　因此,，許多自身整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動(dòng)整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動(dòng)整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動(dòng)計(jì)算PID參數(shù),。

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9 X3 q' D- O* s( v* f, t　　PID在控制非線性,、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時(shí),，工作地不是太好,。最重要的是，如果PID控制器不能控制復(fù)雜過程,，無論怎么調(diào)參數(shù)都沒用,。
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( y5 O8 {( m! D% y( M　　雖然有這些缺點(diǎn)，PID控制器是最簡單的有時(shí)卻是最好的控制器

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現(xiàn)實(shí)意義　　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,。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,，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)來實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。
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　　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(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)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,。
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  ]& A5 j, U; E# O　　2,、閉環(huán)控制系統(tǒng)
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% f. I/ h, F6 h3 p　　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)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。如果沒有眼睛,，就沒有了反饋回路,，也就成了一個(gè)開環(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),。
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9 D6 A, I7 x) p) E' Y/ E2 E. i　　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(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)間來定量描述,。
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% |2 \  ?+ F+ r; D: v# K3 E0 q　　4、PID控制的原理和特點(diǎn)


6 t1 ]4 h$ Z. c* d3 D- t　　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(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)場調(diào)試來確定,，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,，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(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。
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　　比例（P）控制


, C( x# u0 d2 Y' [　　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(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）。
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$ m# O. U. n8 b4 J* k1 K　　積分（I）控制

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6 e$ A- ?; D! ?( p3 k　　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)后無穩(wěn)態(tài)誤差,。

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　　微分（D）控制
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% x2 Y8 j$ ^- S8 C3 P+ V　　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,，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(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)過程中的動(dòng)態(tài)特性。
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見習(xí)生小王

深入淺出的PID控制的概念介紹,，謝謝樓主,。

wxlk

剛開始學(xué)習(xí) 謝謝樓主 好好學(xué)習(xí)之

余志峰

謝謝樓主！我收益頗多

objectarx

很有用,，以前看過,，不過看的很粗。多謝樓主了,！

dylpl

剛開始學(xué)習(xí) 謝謝樓主,，正好有用。

云散了

剛開始學(xué)習(xí) 謝謝樓主 好好學(xué)習(xí)之

syx

簡單的說,，就是積分項(xiàng)控制反應(yīng)時(shí)間,，微分項(xiàng)控制反應(yīng)震蕩，比例則對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算后進(jìn)行控制,。

huangpan1234

謝謝                                       ,

dushuquan

謝謝樓主,，受教了，好好學(xué)一下……