PID算法和控制知識簡介

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PID控制的概念介紹


8 Z0 ?8 {! x  S概述　　當(dāng)今的自動控制技術(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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1 }1 l) e% [; ?/ c: A　　這個(gè)理論和應(yīng)用自動控制的關(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。


　　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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　　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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) V0 d. u! K) R1 L7 o* G: J　　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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, [+ l( S  q+ Z2 u. Y# j6 [7 Y" w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,。

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9 {. C) L- {/ _/ M# z2 o5 t" a. E　　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,，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(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)過程的動態(tài)特性及時(shí)整定,。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化,，PID參數(shù)就可以重新整定,。
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0 ?/ C- G" X0 P2 E  {2 d　　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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# |7 n, Q; B1 G1 ~4 R/ m6 y　　在工廠，總是能看到許多回路都處于手動狀態(tài),，原因是很難讓過程在“自動”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)。


9 f& G$ r* ?2 D" \　　在一些情況下針對特定的系統(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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/ ~" f( ~" H; P+ b, z; C　　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。這個(gè)方法會引起擾動,，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,。
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4 `' H/ K5 z( r; q) Z( I& R　　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,。
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　　因此，許多自身整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式,。自動整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動計(jì)算PID參數(shù),。
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　　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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　　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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2 k4 W" W( z) F- O% d% }1 ]: k現(xiàn)實(shí)意義　　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(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)例是模糊全自動洗衣機(jī)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(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)

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　　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,。

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　　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(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(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)一臺真正的全自動洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動切斷電源,，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng),。
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　　3、階躍響應(yīng)
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　　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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3 }4 ]$ h. A/ I. u7 a　　4,、PID控制的原理和特點(diǎn)
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; b" u. l! k! @. X" K$ m5 ]　　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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6 h4 }1 h' q8 ^6 ~2 }: B　　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(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）,。

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: M( ?" r( r5 @' p2 N8 f　　積分（I）控制
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1 _0 X5 _4 M& l# l+ l　　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)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加,，積分項(xiàng)會增大,。這樣，即便誤差很小,，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)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(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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( l. A8 M1 B- \* O　　微分（D）控制
: e( e/ b* @" A$ b1 }' {2 F% J
* e) r8 i! N' q0 t  j+ g. {
& @$ d. }# e" B3 Z4 H2 ~' P2 l　　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(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,。


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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……