PID控制原理與參數(shù)整定方法

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1、PID控制原理與參數(shù)整定方法一、概述PID是比例-積分-微分控制的簡稱，也是一種控制算法，其特點是結構改變靈活、技術成熟、適應性強。對一個控制系統(tǒng)而言，由于控制對象的精確數(shù)學模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，運用控制理論綜合分析要耗費很大的代價，卻不能得到預期的效果，所以人們往往采用PID調(diào)節(jié)器，根據(jù)經(jīng)驗在線整定參數(shù)，以便得到滿意的控制效果。隨著計算機特別是微機技術的發(fā)展，PID控制算法已能用微機簡單實現(xiàn)，由于軟件系統(tǒng)的靈活性，PID算法可以得到修正而更加完善。我們陽江基地有數(shù)以千計的采用PID控制的調(diào)節(jié)器，用于溫度控制、壓力控制、流量

2、控制，在塑杯及灌裝生產(chǎn)過程中，發(fā)揮著重要的作用。因此，學習PID控制的基本原理，合理的設計PID控制系統(tǒng)，用好、維護好這些調(diào)節(jié)器，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品率，節(jié)約能源具有十分重要的意義。本課程從系統(tǒng)的角度，采用多種分析方法，詳細講解經(jīng)典PID控制的基本原理和PID參數(shù)的整定方法，簡介現(xiàn)代數(shù)字PID控制思想，希望對大家使用PID調(diào)節(jié)器有所幫助。二、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)和特性一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)可以用靜態(tài)品質(zhì)和動態(tài)品質(zhì)來衡量。所謂靜態(tài)品質(zhì)就是系統(tǒng)穩(wěn)定后，被控參數(shù)與給定值間的差值的大小。偏差愈大則靜差愈大，靜差愈小靜態(tài)品質(zhì)愈好。當系統(tǒng)受到擾動后或整定在一

3、個新值時需要在較短時間內(nèi)過渡到穩(wěn)定，不發(fā)生振蕩和發(fā)散，這便是衡量系統(tǒng)動態(tài)特性的指標。一個好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)應該二個品質(zhì)都好。但動靜態(tài)品質(zhì)往往是相互矛盾的，要靜差小，系統(tǒng)的放大倍數(shù)就要大，系統(tǒng)放大倍數(shù)愈大則系統(tǒng)愈不穩(wěn)定，即動態(tài)品質(zhì)不好。圖1-1收斂型1圖1-2收斂型2圖1-3發(fā)散型落圖1-4振蕩型圖1-1至1-4是幾種典型的控制曲線，只有圖1-1表示動靜態(tài)品質(zhì)都好。一般的調(diào)節(jié)系統(tǒng)都具有慣性和滯后兩種特性，只是大小不同而已。這兩個特性應從控制對象，控制作用這兩個方面去理解。弄懂以上關于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的幾個基本概念，對于理解PID控制的原理有很大的幫助。三、

4、PID控制的基本原理PID控制是按偏差信號的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制，數(shù)字PID控制是計算機來實現(xiàn)連續(xù)PID控制功能的一種算法。模擬或數(shù)字控制，按控制作用的形式分為以下幾種。1、比例控制作用（簡記P），它是指控制器的輸出與輸入偏差（也即誤差）信號成比例，比例控制的算法為：u(t)=Kpe(t)式中e(t)-偏差信號；u(t)-控制器輸出信號；Kp-比例增益。比例控制器實際上是一個可調(diào)增益的放大器，比例控制能迅速反映誤差，從而減小誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，比例系數(shù)的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。例如會出現(xiàn)圖1-4所示振動等。這就

5、是說，比例控制不能處理好動靜態(tài)品質(zhì)這一矛盾。在比例控制的基礎上，引入積分控制作用，可以解決這一矛盾。2、積分控制作用（簡記I）積分控制作用的算法如下：u(t)=K1∫e(t)dt式中K1為積分增益。當有偏差信號e(t)時，則控制的輸出將不斷增加，直到偏差信號為零，積分控制作用可以消除靜差，但它有滯后現(xiàn)象，會使系統(tǒng)超調(diào)量加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，必須與比例環(huán)節(jié)同時使用。圖2-1所示，是一個滯后時間短，慣性小的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用PI控制獲得理想控制效果的圖形，為了分析簡單，將圖2-1畫成以偏差信號表示的圖形，如圖2-2，當系統(tǒng)受到擾動時，能很快恢復

6、正常。圖2-1圖2-2圖2-3如圖2-3所示，在圖2-3中，t=t0時e(t)=0，=0，隨著時間的增加，的值也不斷增加，直到t1。e(t)=0時，的值達到最大。也就是說，在t1時刻偏差為零，積分控制作用確達到了最好值。這一點反映了積分控制作用滯后現(xiàn)象，是引起系統(tǒng)超調(diào)量加大的主要原因，對于那些慣性大，滯后時間長的控制對象，PI控制無法獲得理想的控制效果，必須再引入微分控制作用。3、微分控制作用（簡稱D）微分控制算法如下：式中KD為微分增益，微分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號e(t)的變化率成比例，它只在動態(tài)過程中有效，微分控制可以減小超

7、調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。必須與其他控制作用相結合。用圖解法可以方便地解讀微分控制的作用。仍以一個理想的控制曲線作為分析對象，如圖3-1所示。我們知道，定積分在幾何意義上代表曲線e(t)與橫軸之間的面積，如圖中的陰影部分，而代表曲線e(t)的斜率，由此可以畫出積分控制輸出UI和微分控制輸出UD的曲線，在0點時P、I控制作用為零（在這里為了分析簡單，不考慮穩(wěn)態(tài)時的PID控制作用）。微分控制作用為最大值，這個值是由e(t)上升趨勢決定的。對于采用反作用控制的溫控系統(tǒng)來說

8、，在0點就大幅減小調(diào)節(jié)器的輸出，即減少加熱時間，抑制溫度上升的趨勢。所以微分調(diào)節(jié)有預調(diào)之稱。隨圖3-1著時間的變化，PI控制作用逐漸增強，在t1時刻，P控制作用達到最大值，微分控