ＰＩＤ调节原理

ＰＩＤ调节原理 一、什么是ＰＩＤ调节及ＰＩＤ调节的基本原理 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同 时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三 个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开 环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执 行机构﹑输入输出接口。控制器的输出经过输出接口﹑执行机构﹐加到被控系 统上﹔控制系统的被控量﹐经过传感器﹐变送器﹐通过输入接口送到控制器。 不同的控制系统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。比如压力控制系 统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID 控制 及其控制器或智能 PID 控制器（仪表）已经很多，产品已在实际中得到了 广泛的应用，有各种各样的 PID 控制器产品，各大公司均开发了具有 PID 参数 自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中 PID 控制器参数的自动调 整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用 PID 控制实现的压 力、温度、流量、液位控制器，能实现 PID 控制功能的可编程控制器(PLC)，还 有可实现 PID 控制的 PC 系统等等。 可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模 块来实现 PID 控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与 ControlNet 相连，如 Rockwell 的 PLC-5 等。还有可以实现 PID 控制功能的控制器，如 Rockwell 的 Logix 产品系列，它可以直接与 ControlNet 相连，利用网络来实现其远程控制功 能。 1、开环控制系统 开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控 制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来 以形成任何闭环回路。 2、闭环控制系统 闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被 控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有 正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又 称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的 闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后 作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环 控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净， 并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。 3、阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统的输出。 稳态误差是指系统的响应进入稳态后﹐系统的期望输出与实际输出之差。控制 系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability)， 一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的﹔ 准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来(Steady-state error)描 述，它表示系统输出稳态值与期望值之差﹔快是指控制系统响应的快速性，通 常用上升时间来定量描述。 4、PID 控制的原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其 结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理 论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试 来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被 控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技 术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差， 利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 5、比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比 例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 6、积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态 误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差， 在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间 的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而 加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此， 比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 7、微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率） 成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失 稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制 误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用 的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说， 在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅 值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有 比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值， 从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微 分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 8、PID 控制器的参数整定 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特 性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数 整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系 统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未 必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它 主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握， 在工程实际中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、 反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按 照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制 器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比 例法。利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 够短的采样周期让系统工作﹔(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃 响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期﹔(3)在一定的控 制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。 二、PID 是比例，积分，微分的缩写. 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调 节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差， 但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节 就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取 决与积分时间常数 Ti，Ti 越小，积分作用就越强。反之 Ti 大则积分作用弱，加 入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规 律结合，组成 PI 调节器或 PID 调节器。 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预 见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已 被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。 在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声 干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反 应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零微分作用不能单独使 用，需要与另外两种调节规律相结合，组成 PD 或 PID 控制器。 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.