什么是PID調節及PID調節的基本原理

　　目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現代化水平的一個(gè)重要標志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現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)洗衣機等。自動(dòng)控制系統可分為開(kāi)環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統。一個(gè)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�？刂破鞯妮敵鼋�(jīng)過(guò)輸出接口﹑執行機構﹐加到被控系統上﹔控制系統的被控量﹐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﹐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(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應用，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參數自整定功能的智能調節器(intelligent regulator)，其中PID控制器參數的自動(dòng)調整是通過(guò)智能化調整或自校正、自適應算法來(lái)實(shí)現。有利用PID控制實(shí)現的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現PID控制的PC系統等等。 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 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)現其遠程控制功能。

　　1、開(kāi)環(huán)控制系統

　　開(kāi)環(huán)控制系統(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(méi)有影響。在這種控制系統中，不依賴(lài)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

　　閉環(huán)控制系統(closed-loop control system)的特點(diǎn)是系統被控對象的輸出(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)控制系統有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統給定值信號相反，則稱(chēng)為負反饋( Negative Feedback)，若極性相同，則稱(chēng)為正反饋，一般閉環(huán)控制系統均采用負反饋，又稱(chēng)負反饋控制系統。閉環(huán)控制系統的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負反饋的閉環(huán)控制系統，眼睛便是傳感器，充當反饋，人體系統能通過(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。另例，當一臺真正的全自動(dòng)洗衣機具有能連續檢查衣物是否洗凈，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。

　　3、階躍響應

　　階躍響應是指將一個(gè)階躍輸入(step function)加到系統上時(shí)，系統的輸出。穩態(tài)誤差是指系統的響應進(jìn)入穩態(tài)后﹐系統的期望輸出與實(shí)際輸出之差�？刂葡到y的性能可以用穩、準、快三個(gè)字來(lái)描述。穩是指系統的穩定性(stability)，一個(gè)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確性、控制精度，通常用穩態(tài)誤差來(lái)(Steady-state error)描述，它表示系統輸出穩態(tài)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(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，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調節。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結構簡(jiǎn)單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統控制器的結構和參數必須依靠經(jīng)驗和現場(chǎng)調試來(lái)確定，這時(shí)應用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個(gè)系統和被控對象﹐或不能通過(guò)有效的測量手段來(lái)獲得系統參數時(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控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(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成比例關(guān)系。當僅有比例控制時(shí)系統輸出存在穩態(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(gè)自動(dòng)控制系統，如果在進(jìn)入穩態(tài)后存在穩態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統是有穩態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(System with Steady-state Error)。為了消除穩態(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(shí)間的積分，隨著(zhù)時(shí)間的增加，積分項會(huì )增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進(jìn)入穩態(tài)后無(wú)穩態(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(dòng)控制系統在克服誤差的調節過(guò)程中可能會(huì )出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節)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該是零。這就是說(shuō)，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滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過(guò)程中的動(dòng)態(tài)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內容。它是根據被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗，直接在控制系統的試驗中進(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控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線(xiàn)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，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實(shí)際運行中進(jìn)行最后調整與完善�，F在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統工作﹔(2)僅加入比例控制環(huán)節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時(shí)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(guò)公式計算得到PID控制器的參數。