過程控制中的PID控制技術(shù)

隨著電子、計算機、通訊、故障診斷、冗余校驗和圖形顯示等技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)自動化水平也日益提高。但在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品的質(zhì)量受多因素的干擾而使自動化水平的優(yōu)點遜色。PID控制理論從此應(yīng)運而生。

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)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)、輸入輸出接口利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC），還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。

PID控制

在工程實際中，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)。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，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。

PID控制，實際中也有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、微分計算出控制量進行控制的.最為理想的控制當(dāng)屬比例-積分-微分控制規(guī)律，它集三者之長：既有比例作用的及時迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。

模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖

PID控制的環(huán)節(jié)

1、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)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)節(jié)器的輸出信號與偏差信號成正比，也就是說，只要有偏差存在，控制器的輸出就會立刻與偏差成正比地變化，因此P 調(diào)節(jié)響應(yīng)速度很快。

P 調(diào)節(jié)可以及時反映出系統(tǒng)當(dāng)?shù)淖兓珔s不能徹底地消除系統(tǒng)存在的偏差，因此，如果在實際控制過程中只采用 P 調(diào)節(jié)，就會使系統(tǒng)產(chǎn)生殘差，K p 增大可以使系統(tǒng)偏差隨之減少，實際上，如果 K -D過大將會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2、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。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。

為了消除穩(wěn)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間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到接近于零。

因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后幾乎無穩(wěn)態(tài)誤差。積分時間的大小決定了積分作用的強弱，積分時間越大，積分作用越弱，引起系統(tǒng)超調(diào)量的加大；積分作用越強，反而易引起系統(tǒng)振蕩。

3、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，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”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而需要增加的是“微分項”，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，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(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。D 調(diào)節(jié)的主要作用是減小超調(diào)量，控制被控對象輸出的振蕩，縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間，由此提高系統(tǒng)的動態(tài)特性。但過大的 T D 將會降低對干擾信號的抑制能力。

4、PID控制

最為理想的控制當(dāng)屬比例-積分-微分控制規(guī)律，它集三者之長：既有比例作用的及時迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。

當(dāng)偏差節(jié)約出現(xiàn)時，微分能立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變：比例同時起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定：而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點，得到較為理想的控制效果。

故而只要能將三種作用合理的搭配，就能取得快速準確而平穩(wěn)的調(diào)節(jié)性能，獲得優(yōu)良的控制效果，這也就是 PID調(diào)節(jié)的魅力所在。

5、參數(shù)整定

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。

PID控制器參數(shù)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(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)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(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。兩種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：

⑴首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；

⑵僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；

⑶在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。

在實際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個經(jīng)驗值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。

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

對于流量系統(tǒng)：P（%）40--100，I（分）0.1--1

對于壓力系統(tǒng)：P（%）30--70，I（分）0.4--3

對于液位系統(tǒng)：P（%）20--80，I（分）1—5

聽上去是不是有些不好理解呢？我們請小明來跟我們解釋解釋吧

小明接到這樣一個任務(wù)：有一個水缸漏水，且漏水的速度是不定的，但要求水面高度維持在某個位置，一旦發(fā)現(xiàn)水面高度低于要求位置，就要往水缸里加水。

開始小明用瓢加水，水龍頭離水缸有十幾米的距離，經(jīng)常要跑好幾趟才加夠水，于是小明又改為用桶加，一加就是一桶，跑的次數(shù)少了，加水的速度也快了，但好幾次將缸給加溢出了，不小心弄濕了幾次鞋，小明又動腦筋，我不用瓢也不用桶，老子用盆，幾次下來，發(fā)現(xiàn)剛剛好，不用跑太多次，也不會讓水溢出。這個檢查時間就稱為采樣周期。

開始小明用瓢加水，水龍頭離水缸有十幾米的距離，經(jīng)常要跑好幾趟才加夠水，于是小明又改為用桶加，一加就是一桶，跑的次數(shù)少了，加水的速度也快了，但好幾次將缸給加溢出了，不小心弄濕了幾次鞋，小明又動腦筋，我不用瓢也不用桶，老子用盆，幾次下來，發(fā)現(xiàn)剛剛好，不用跑太多次，也不會讓水溢出。這個加水工具的大小就稱為比例系數(shù)。

小明又發(fā)現(xiàn)水雖然不會加過量溢出了，有時會高過要求位置比較多，還是有打濕鞋的危險。他又想了個辦法，在水缸上裝一個漏斗，每次加水不直接倒進水缸，而是倒進漏斗讓它慢慢加。這樣溢出的問題解決了，但加水的速度又慢了，有時還趕不上漏水的速度。于是他試著變換不同大小口徑的漏斗來控制加水的速度，最后終于找到了滿意的漏斗。漏斗的時間就稱為積分時間。

小明終于喘了一口，但任務(wù)的要求突然嚴了，水位控制的及時性要求大大提高，一旦水位過低，必須立即將水加到要求位置，而且不能高出太多，否則不給工錢。小明又為難了！于是他又開努腦筋，終于讓它想到一個辦法，常放一盆備用水在旁邊，一發(fā)現(xiàn)水位低了，不經(jīng)過漏斗就是一盆水下去，這樣及時性是保證了，但水位有時會高多了。他又在要求水面位置上面一點將水鑿一孔，再接一根管子到下面的備用桶里這樣多出的水會從上面的孔里漏出來。這個水漏出的快慢就稱為微分時間。

故事中小明的試驗是一步步獨立做，但實際加水工具、漏斗口徑、溢水孔的大小同時都會影響加水的速度，水位超調(diào)量的大小，做了后面的實驗后，往往還要修改改前面實驗的結(jié)果。

人以PID控制的方式用水壺往水杯里倒印有刻度的半杯水后停下;

設(shè)定值：水杯的半杯刻度；

實際值：水杯的實際水量；

輸出值：水壺倒出水量和水杯舀出水量；

測量：人的眼睛（相當(dāng)于傳感器）

執(zhí)行對象：人

正執(zhí)行：倒水

反執(zhí)行：舀水

1P比例控制，就是人看到水杯里水量沒有達到水杯的半杯刻度，就按照一定水量從水壺里王水杯里倒水或者水杯的水量多過刻度，就以一定水量從水杯里舀水出來，這個一個動作可能會造成不到半杯或者多了半杯就停下來。

說明：P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)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。

2PI積分控制，就是按照一定水量往水杯里倒，如果發(fā)現(xiàn)杯里的水量沒有刻度就一直倒，后來發(fā)現(xiàn)水量超過了半杯，就從杯里往外面舀水，然后反復(fù)不夠就倒水，多了就舀水，直到水量達到刻度。

說明：在積分I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。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(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”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，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)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。

3PID微分控制，就是人的眼睛看著杯里水量和刻度的距離，當(dāng)差距很大的時候，就用水壺大水量得倒水，當(dāng)人看到水量快要接近刻度的時候，就減少水壺的得出水量，慢慢的逼近刻度，直到停留在杯中的刻度。如果最后能精確停在刻度的位置，就是無靜差控制；如果停在刻度附近，就是有靜差控制。

說明：在微分控制D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。

在工程實際中，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，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。

PID控制器

PID控制器廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。工業(yè)自動化領(lǐng)域的大約95％的閉環(huán)操作使用PID控制器。控制器以這樣一種方式組合，即產(chǎn)生一個控制信號。作為反饋控制器，它將控制輸出提供到所需的水平。在微處理器發(fā)明之前，模擬電子元件實現(xiàn)了PID控制。但是今天所有的PID控制器都是由微處理器處理的。可編程邏輯控制器也有內(nèi)置的PID控制器指令。

通過使用低成本的簡單開關(guān)控制器，只有兩種控制狀態(tài)是可能的，例如全開或全關(guān)。它用于有限的控制應(yīng)用，這兩個控制狀態(tài)足夠控制目標。然而，這種控制的振蕩特性限制了其使用，因此正在被PID控制器所取代。

PID控制器保持輸出，使得通過閉環(huán)操作在過程變量和設(shè)定點/期望輸出之間存在零誤差。PID使用三種基本的控制行為，下面將對此進行說明。

P-控制器：

比例或P-控制器給出與電流誤差e（t）成比例的輸出。它將期望值或設(shè)定值與實際值或反饋過程值進行比較。得到的誤差乘以比例常數(shù)得到輸出。如果錯誤值為零，則該控制器輸出為零。

此控制器在單獨使用時需要偏置或手動重置。這是因為它從來沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)。它提供穩(wěn)定的操作，但始終保持穩(wěn)定狀態(tài)的錯誤。當(dāng)比例常數(shù)Kc增加時，響應(yīng)速度會增加。

I-控制器

由于p-控制器在過程變量和設(shè)定點之間總是存在偏差，所以需要I-控制器，這就提供了必要的動作來消除穩(wěn)態(tài)誤差。它集成了一段時間的誤差，直到誤差值達到零。它對最終控制裝置的誤差為零的值保持不變。

當(dāng)發(fā)生負面誤差時，積分控制會降低其輸出。它限制了響應(yīng)速度，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。響應(yīng)的速度通過減小積分增益Ki而增加。

在上圖中，隨著I控制器的增益減小，穩(wěn)態(tài)誤差也逐漸減小。對于大多數(shù)情況下，PI控制器尤其適用于不需要高速響應(yīng)的場合。

當(dāng)使用PI控制器，I-控制器輸出被限制在一定程度的范圍內(nèi)，克服了積分飽和，其中積分輸出的推移，即使在零誤差狀態(tài)增加時，由于在所述植物的非線性的條件。

d-控制器

I-控制器不具備預(yù)測錯誤未來行為的能力。所以一旦設(shè)定值改變，它就會正常反應(yīng)。D控制器通過預(yù)測未來的錯誤行為來克服這個問題。其輸出取決于誤差相對于時間的變化率，乘以微分常數(shù)。它為輸出提供啟動，從而增加系統(tǒng)響應(yīng)。

在上圖中，D控制器的響應(yīng)比PI控制器多，輸出的建立時間也減少。它通過補償由I控制器引起的相位滯后來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增加微分增益會提高響應(yīng)速度。

PID控制器的作用

比例調(diào)節(jié)作用

按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

積分調(diào)節(jié)作用

使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。

微分調(diào)節(jié)作用

微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。

PID控制應(yīng)用的發(fā)展方向

在生產(chǎn)過程中為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)量，節(jié)約原材料，要求生產(chǎn)管理及生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工作狀態(tài)。因此產(chǎn)生了一種最優(yōu)控制的方法，這就叫自適應(yīng)控制。在這種控制中要求系統(tǒng)能夠根據(jù)被測參數(shù)，環(huán)境及原材料的成本的變化而自動對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)隨時處于最佳狀態(tài)。自適應(yīng)控制包括性能估計（辨別）、決策和修改三個環(huán)節(jié)。它是微機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。但由于控制規(guī)律難以掌握，所以推廣起來尚有一些難以解決的問題。入自適應(yīng)的pid控制就帶有了一些智能特點，像生物一樣能適應(yīng)外界條件的變化。還有自學(xué)習(xí)系統(tǒng)，就更加智能化了。

審核編輯：黃飛