學(xué)會(huì)PID控制是自控技術(shù)入門的必要

1、PID定義

PID控制技術(shù)，PID控制，在實(shí)際中分為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(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為：

u(t)=kp(e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt)，式中積分的上下限分別是0和t，

因此傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)，其中kp為比例系數(shù)； TI為積分時(shí)間常數(shù)； TD為微分時(shí)間常數(shù)。

當(dāng)今的閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念以減少不確定性。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的是被控變量的實(shí)際值，與期望值相比較，用這個(gè)偏差來糾正系統(tǒng)的響應(yīng)，執(zhí)行調(diào)節(jié)控制。在工程實(shí)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(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。

這個(gè)理論和應(yīng)用的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。

PID（比例（proportion）、積分（integration）、微分（differentiation））控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有近百年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。

2、PID控制說明

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(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

積 分（I）控制 ：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn) 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(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分 項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)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(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)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(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)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(shí)，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(xiàng)往往是 不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)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(dòng)態(tài)特性。

PID 控制器框圖

PID CONT_C （連續(xù)調(diào)節(jié)控制器）塊圖

應(yīng)用程序

你可以使用控制器作為單獨(dú)的PID定點(diǎn)控制器或在多循環(huán)控制中作為級(jí)聯(lián)控制器、混合控制器和比例控制器使用?？刂破鞯墓δ芑趲в幸粋€(gè)模擬信號(hào)的采樣控制器的PID控制算法，如果必要的話，可以通過脈沖發(fā)送器（PULSEGEN）進(jìn)行擴(kuò)展，以產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的輸出信號(hào)，來控制比例執(zhí)行機(jī)構(gòu)的兩個(gè)或三個(gè)步進(jìn)控制器。

說明

除了設(shè)定點(diǎn)操作和過程數(shù)值操作的功能以外，SFB41/FB41（CONT_C）可以使用連續(xù)的變量輸出和手動(dòng)影響控制數(shù)值選項(xiàng)。來實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的PID控制器。下面是關(guān)于SFB41/FB41（CONT_C）詳細(xì)的子功能說明：

設(shè)定點(diǎn)操作

設(shè)定點(diǎn)以浮點(diǎn)格式在SP_INT端輸入。

實(shí)際數(shù)值操作

過程變量可以在外圍設(shè)備（I/O）或者浮點(diǎn)數(shù)值格式輸入。CRP_IN功能可以將PV_PER外圍設(shè)備數(shù)值轉(zhuǎn)換為一個(gè)浮點(diǎn)格式的數(shù)值，在-100和+100%之間，轉(zhuǎn)換公式如下：CRP_IN的輸出=PV_PER×100/27648。PV_NORM功能可以根據(jù)下述規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)化CRP_IN的輸出：輸出PV_NORM=（CRP_IN的輸出）×PV_FAC+PV_OFF，PV_FAC的缺省值為1，PV_OFF的缺省值為0。變量PV_FAC和PV_OFF為下述公式轉(zhuǎn)化的結(jié)果：

PV_OFF=（PV_NORM的輸出）－（CRP_IN的輸出）×PV_FAC，

PV_FAC=（（PV_NORM的輸出）－PV_OFF) /（CRP_IN的輸出)不必轉(zhuǎn)換為百分比數(shù)值。如果設(shè)定點(diǎn)為物理確定，實(shí)際數(shù)值還可以轉(zhuǎn)換為物理數(shù)值。

復(fù)偏差計(jì)算

設(shè)定點(diǎn)和實(shí)際數(shù)值之間的區(qū)別便形成負(fù)值偏差。為了抑制由于被控量的量化引起的小的、恒定的振蕩（例如使用PULSEGEN進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制），在死區(qū)將施加一個(gè)死區(qū),如果DEADB_N=0，則死區(qū)將關(guān)閉。

PID算法

PID算法作為一種位置算法進(jìn)行控制。比例運(yùn)算（INT）和微商運(yùn)算（DIF）都可進(jìn)行連接，也可以單獨(dú)激活或取消。這就允許組態(tài)成P、PI、PD和PID控制器。也可以是純I和D調(diào)節(jié)器。

手動(dòng)模式

可以在手動(dòng)模式和自動(dòng)模式之間切換。在手動(dòng)模式下，被控量被修改成手動(dòng)選定的數(shù)值。積分器（INT）內(nèi)部設(shè)置為L(zhǎng)MN-LMN_P-DISV，微商器（DIF）內(nèi)部設(shè)置為0，并進(jìn)行內(nèi)部匹配。這就是說切換到自動(dòng)模式時(shí)不會(huì)引起被控量的突變。

受控?cái)?shù)值的處理

使用LMNLIMIT功能，受控?cái)?shù)值可以被限制為一個(gè)所選擇的數(shù)值。當(dāng)輸入變量超出極限值時(shí)，信號(hào)位將指示。LMN_NORM功能可以根據(jù)下述公式標(biāo)準(zhǔn)化LMN_LIMIT的輸出：LMN=（LMNLIMIT的輸出）×LMN_FAC+LMN_OFF

LMN_FAC的缺省值為1，LMN_OFF的缺省值為0。

受控?cái)?shù)值也適用于外圍設(shè)備（I/O）格式。CRP_OUT功能可以將浮點(diǎn)值LMN轉(zhuǎn)換為一個(gè)外圍設(shè)備值，轉(zhuǎn)換公式如下：LMN_PER=LMN×2764/100

前饋控制

一個(gè)干擾變量被引入DISV端輸入。

初始化

SFB 41/FB 41CONT_C有一個(gè)初始化程序，可以在輸入參數(shù)COM_RST=TRUE置位時(shí)運(yùn)行。在初始化過程中，積分器可以內(nèi)部設(shè)置為初始值I_ITVAL。如果在一個(gè)循環(huán)中斷優(yōu)先級(jí)調(diào)用它，它將從該數(shù)值繼續(xù)開始運(yùn)行。所有其他輸出都設(shè)置為其缺省值。

出錯(cuò)信息

故障輸出參數(shù)RET_VAL不使用。

PID FB41 輸入部分參數(shù)說明

PID FB41輸出部分參數(shù)說明

3、規(guī)格化概念及方法

PID參數(shù)中重要的幾個(gè)變量，給定值、反饋值和輸出值都是用0.0~1.0之間的實(shí)數(shù)（實(shí)際上就是百分比）表示，而這幾個(gè)變量在實(shí)際中都是來自于模擬輸入或者輸出控制模擬量的，因此，需要將模擬輸入轉(zhuǎn)換為0.0~1.0的數(shù)據(jù)，或?qū)?.0~1.0的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬輸出，這個(gè)過程稱為規(guī)格化。

規(guī)格化的方法：即變量相對(duì)所占整個(gè)值域范圍內(nèi)的百分比，對(duì)應(yīng)于27648數(shù)字量范圍內(nèi)的量。

對(duì)于輸入和反饋，執(zhí)行：變量*100/27648,然后將結(jié)果傳送到PV_IN和SP_INT。

對(duì)于輸出變量，執(zhí)行：LMN*27648/100,然后將結(jié)果取整傳送給PQW即可。

4、PID 參數(shù)設(shè)置及調(diào)節(jié)方法

方法一：

PID參數(shù)的設(shè)定：是靠經(jīng)驗(yàn)及工藝的熟悉,參考測(cè)量值跟蹤與設(shè)定值曲線,從而調(diào)整P.I.D的大小。PID控制器參數(shù)的工程整定,各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中P.I.D參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以下可參照：

溫度T: P=20~60%,T=180~600s，D=3-180s，壓力P: P=30~70%,T=24~180s，液位L: P=20~80%,T=60~300s，

流量L: P=40~100%,T=6~60s。

方法二：

1、PID調(diào)試一般原則：在輸出不振蕩時(shí)，增大比例增益P/減小積分時(shí)間常數(shù)Ti/增大微分時(shí)間常數(shù)Td。

2、一般步驟

1）確定比例增益P

首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是令Ti=0、Td=0，使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%~70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時(shí)的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益P為當(dāng)前值的60%~70%。比例增益P調(diào)試完成。

2）確定積分時(shí)間常數(shù)Ti

比例增益P確定后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的Ti，設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%~180%。積分時(shí)間常數(shù)Ti調(diào)試完成。

3）確定積分時(shí)間常數(shù)Td

積分時(shí)間常數(shù)Td一般不用設(shè)定，為0即可。若要設(shè)定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時(shí)的30%。

4）系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，至滿足要求。

方法三：

一般不用D，除非一些大功率加熱控制等慣大的系統(tǒng)；僅使用PI即可，

一般先使 I 等于0，P從0開始往上加，知道系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩為止，記下此時(shí)振蕩的周期，然后設(shè)置 I 為振蕩周期的0.48倍，應(yīng)該就可以滿足大多數(shù)的需求。