PID控制:調節器控制規律-中文百科頻道

簡介

當今的自動控制技術都是基于反饋的概念。這個理論和應用自動控制的關鍵是，做出正确的測量和比較後，如何才能更好地糾正系統。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。

用途

它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化産品，使用中隻需設定三個參數（Kp，Ki和Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。

首先，PID應用範圍廣。雖然很多工業過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動态特性不随時間變化的系統，這樣PID就可控制了。

其次，PID參數較易整定。也就是，PID參數Kp，Ki和Kd可以根據過程的動态特性及時整定。如果過程的動态特性變化，例如可能由負載的變化引起系統動态特性變化，PID參數就可以重新整定。

第三，PID控制器在實踐中也不斷的得到改進，下面兩個改進的例子。

在工廠，總是能看到許多回路都處于手動狀态，原因是很難讓過程在“自動”模式下平穩工作。由于這些不足，采用PID的工業控制系統總是受産品質量、安全、産量和能源浪費等問題的困擾。PID參數自整定就是為了處理PID參數整定這個問題而産生的。現在，自動整定或自身整定的PID控制器已是商業單回路控制器和分散控制系統的一個标準。

在一些情況下針對特定的系統設計的PID控制器控制得很好，但它們仍存在一些問題需要解決：

如果自整定要以模型為基礎，為了PID參數的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環工作時，要求在過程中插入一個測試信号。這個方法會引起擾動，所以基于模型的PID參數自整定在工業應用不是太好。

如果自整定是基于控制律的，經常難以把由負載幹擾引起的影響和過程動态特性變化引起的影響區分開來，因此受到幹擾的影響控制器會産生超調，産生一個不必要的自适應轉換。另外，由于基于控制律的系統沒有成熟的穩定性分析方法，參數整定可靠與否存在很多問題。

因此，許多自身整定參數的PID控制器經常工作在自動整定模式而不是連續的自身整定模式。自動整定通常是指根據開環狀态确定的簡單過程模型自動計算PID參數。

PID在控制非線性、時變、耦合及參數和結構不确定的複雜過程時，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制複雜過程，無論怎麼調參數都沒用。

雖然有這些缺點，PID控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器

目前工業自動化水平已成為衡量各行各業現代化水平的一個重要标志。同時，控制理論的發展也經曆了古典控制理論、現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。自動控制系統可分為開環控制系統和閉環控制系統。一個控制系統包括控制器、傳感器、變送器、執行機構、輸入輸出接口。控制器的輸出經過輸出接口、執行機構，加到被控系統上；控制系統的被控量，經過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統，其傳感器、變送器、執行機構是不一樣的。比如壓力控制系統要采用壓力傳感器。電加熱控制系統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）已經很多，産品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器産品，各大公司均開發了具有PID參數自整定功能的智能調節器(intelligentregulator)，其中PID控制器參數的自動調整是通過智能化調整或自校正、自适應算法來實現。有利用PID控制實現的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現PID控制的PC系統等等。可編程控制器(PLC)是利用其閉環控制模塊來實現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PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix産品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網絡來實現其遠程控制功能。

1、開環控制系統

開環控制系統(open-loopcontrolsystem)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。在這種控制系統中，不依賴将被控量反送回來以形成任何閉環回路。

2、閉環控制系統

閉環控制系統(closed-loopcontrolsystem)的特點是系統被控對象的輸出(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。閉環控制系統有正反饋和負反饋，若反饋信号與系統給定值信号相反，則稱為負反饋(NegativeFeedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環控制系統均采用負反饋，又稱負反饋控制系統。閉環控制系統的例子很多。比如人就是一個具有負反饋的閉環控制系統，眼睛便是傳感器，充當反饋，人體系統能通過不斷的修正最後作出各種正确的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環控制系統。另例，當一台真正的全自動洗衣機具有能連續檢查衣物是否洗淨，并在洗淨之後能自動切斷電源，它就是一個閉環控制系統。

3、階躍響應

階躍響應是指将一個階躍輸入（stepfunction）加到系統上時，系統的輸出。穩态誤差是指系統的響應進入穩态後，系統的期望輸出與實際輸出之差。控制系統的性能可以用穩、準、快三個字來描述。穩是指系統的穩定性(stability)，一個系統要能正常工作，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确性、控制精度，通常用穩态誤差來(Steady-stateerror)描述，它表示系統輸出穩态值與期望值之差；快是指控制系統響應的快速性，通常用上升時間來定量描述。

4、PID控制的原理和特點

在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年曆史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精确的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來确定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最适合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，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号成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩态誤差（Steady-stateerror）。

積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信号的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩态後存在穩态誤差，則稱這個控制系統是有穩态誤差的或簡稱有差系統（SystemwithSteady-stateError）。為了消除穩态誤差，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，随着時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會随着時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩态誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩态後無穩态誤差。

微分（D）控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信号的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滞後(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落後于誤差的變化。

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滞後的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動态特性。

5、PID控制器的參數整定

PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心内容。它是根據被控過程的特性确定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算确定控制器參數。

這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然後按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最後調整與完善。

現在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作；(2)僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。

在實際調試中，隻能先大緻設定一個經驗值，然後根據調節效果修改。

對于溫度系統：P（%）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5--3

對于流量系統：P（%）40--100，I（分）0.1--1

對于壓力系統：P（%）30--70，I（分）0.4--3

對于液位系統：P（%）20--80，I（分）1--5

參數整定找最佳，從小到大順序查

先是比例後積分，最後再把微分加

曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大

曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳

曲線偏離回複慢，積分時間往下降

曲線波動周期長，積分時間再加長