PID控制原理和特點(diǎn)

工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或不到精確數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能有效測(cè)量手段來(lái)獲系統(tǒng)參數(shù)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控制器就是系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。

1.比例控制(P)

比例控制是最常用的控制手段之一，比方說(shuō)我們控制一個(gè)加熱器的恒溫100度，當(dāng)開(kāi)始加熱時(shí)，離目標(biāo)溫度相差比較遠(yuǎn)，這時(shí)我們通常會(huì)加大加熱，使溫度快速上升，當(dāng)溫度超過(guò)100度時(shí)，我們則關(guān)閉輸出，通常我們會(huì)使用這樣一個(gè)函數(shù)

　　e(t) = SP – y(t)-

　　u(t) = e(t)*P

　　SP——設(shè)定值

　　e(t)——誤差值

　　y(t)——反饋值

　　u(t)——輸出值

　　P——比例系數(shù)

滯后性不是很大的控制對(duì)象使用比例控制方式就可以滿足控制要求，但很多被控對(duì)象中因?yàn)橛袦笮?。也就是如果設(shè)定溫度是200度，當(dāng)采用比例方式控制時(shí)，如果P選擇比較大，則會(huì)出現(xiàn)當(dāng)溫度達(dá)到200度輸出為0后，溫度仍然會(huì)止不住的向上爬升，比方說(shuō)升至230度，當(dāng)溫度超過(guò)200度太多后又開(kāi)始回落，盡管這時(shí)輸出開(kāi)始出力加熱，但溫度仍然會(huì)向下跌落一定的溫度才會(huì)止跌回升，比方說(shuō)降至170度，最后整個(gè)系統(tǒng)會(huì)穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行振蕩。如果這個(gè)振蕩的幅度是允許的比方說(shuō)家用電器的控制，那則可以選用比例控制

　　
2.比例積分控制(PI)

積分的存在是針對(duì)比例控制要不就是有差值要不就是振蕩的這種特點(diǎn)提出的改進(jìn)，它常與比例一塊進(jìn)行控制，也就是PI控制。

　　其公式有很多種，但大多差別不大，標(biāo)準(zhǔn)公式如下：

　　u(t) = Kp*e(t) + Ki∑e(t)+u0

　　u(t)——輸出

　　Kp——比例放大系數(shù)

　　Ki——積分放大系數(shù)

　　e(t)——誤差

　　u0——控制量基準(zhǔn)值(基礎(chǔ)偏差)

大家可以看到積分項(xiàng)是一個(gè)歷史誤差的累積值，如果光用比例控制時(shí)，我們知道要不就是達(dá)不到設(shè)定值要不就是振蕩，在使用了積分項(xiàng)后就可以解決達(dá)不到設(shè)定值的靜態(tài)誤差問(wèn)題，比方說(shuō)一個(gè)控制中使用了PI控制后，如果存在靜態(tài)誤差，輸出始終達(dá)不到設(shè)定值，這時(shí)積分項(xiàng)的誤差累積值會(huì)越來(lái)越大，這個(gè)累積值乘上Ki后會(huì)在輸出的比重中越占越多，使輸出u(t)越來(lái)越大，最終達(dá)到消除靜態(tài)誤差的目的

PI兩個(gè)結(jié)合使用的情況下，我們的調(diào)整方式如下：

1、先將I值設(shè)為0，將P值放至比較大，當(dāng)出現(xiàn)穩(wěn)定振蕩時(shí)，我們?cè)贉p小P值直到P值不振蕩或者振蕩很小為止(術(shù)語(yǔ)叫臨界振蕩狀態(tài))，在有些情況下，我們還可以在些P值的基礎(chǔ)上再加大一點(diǎn)。

2、加大I值，直到輸出達(dá)到設(shè)定值為止。

3、等系統(tǒng)冷卻后，再重上電，看看系統(tǒng)的超調(diào)是否過(guò)大，加熱速度是否太慢。

通過(guò)上面的這個(gè)調(diào)試過(guò)程，我們可以看到P值主要可以用來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但太大會(huì)增大超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間;而I值主要用來(lái)減小靜態(tài)誤差。

pid 算法

控制點(diǎn)目前包含三種比較簡(jiǎn)單的PID控制算法，分別是：增量式算法，位置式算法，微分先行。這三種是最簡(jiǎn)單的基本算法，各有其特點(diǎn)，一般能滿足控制的大部份要求：

1.PID增量式算法

　離散化公式(注：各符號(hào)含義如下)：

　　u(t)----- 控制器的輸出值。

　　e(t)----- 控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。

　　Kp------- 比例系數(shù)。

　　Ti------- 積分時(shí)間常數(shù)。

　　Td------- 微分時(shí)間常數(shù)。

　　T-------- 調(diào)節(jié)周期。

　　2.積分分離法

　　離散化公式：

　　Δu(t) = q0e(t) + q1e(t-1) + q2e(t-2)

　　當(dāng)|e(t)|≤β時(shí)

　　q0 = Kp(1+T/Ti+Td/T)

　　q1 = -Kp(1+2Td/T)

　　q2 = Kp Td /T

　　當(dāng)|e(t)|>β時(shí)

　　q0 = Kp(1+Td/T)

　　q1 = -Kp(1+2Td/T)

　　q2 = Kp Td /T

　　u(t) = u(t-1) + Δu(t)

　　注：各符號(hào)含義如下

　　u(t)----- 控制器的輸出值。

　　e(t)----- 控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。

　　Kp------- 比例系數(shù)。

　　Ti------- 積分時(shí)間常數(shù)。

　　Td------- 微分時(shí)間常數(shù)。(有的地方用"Kd"表示)

　　T-------- 調(diào)節(jié)周期。

　　β------- 積分分離閾值

　　3.微分先行PID算法

　　離散化公式：

　　u(t)----- 控制器的輸出值。

　　e(t)----- 控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。

　　Kp------- 比例系數(shù)。

　　Ti------- 積分時(shí)間常數(shù)。

　　Td------- 微分時(shí)間常數(shù)。(有的地方用"Kd"表示)

　　T-------- 調(diào)節(jié)周期。

　　β------- 積分分離閾值

PID控制：

因?yàn)镻I系統(tǒng)中的I的存在會(huì)使整個(gè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到影響，為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)诳刂浦性黾恿薉微分項(xiàng)，微分項(xiàng)主要用來(lái)解決系統(tǒng)的響應(yīng)速度問(wèn)題，其完整的公式如下：

　　u(t) = Kp*e(t) + Ki∑e(t) + Kd[e(t) –e(t-1)]+u0

　　在PID的調(diào)試過(guò)程中，我們應(yīng)注意以下步驟：

　　1)關(guān)閉I和D，也就是設(shè)為0.加大P，使其產(chǎn)生振蕩;

　　2)減小P，找到臨界振蕩點(diǎn);

　　3)加大I，使其達(dá)到目標(biāo)值;

　　4)重新上電看超調(diào)、振蕩和穩(wěn)定時(shí)間是否吻合要求;

　　5)針對(duì)超調(diào)和振蕩的情況適當(dāng)?shù)脑黾右恍┪⒎猪?xiàng);

　　6)注意所有調(diào)試均應(yīng)在最大爭(zhēng)載的情況下調(diào)試，這樣才能保證調(diào)試完的結(jié)果可以在全工作范圍內(nèi)均有效;

　　
PID控制器參數(shù)整定:

PID控制器參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心內(nèi)容。它是被控過(guò)程特性確定PID控制器比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間大小。PID控制器參數(shù)整定方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。它主依據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所到計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須工程實(shí)際進(jìn)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(yàn)，直接控制系統(tǒng)試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是試驗(yàn)，然后工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但采用哪一種方法所到控制器參數(shù)，都需要實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)一般采用是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)整定步驟如下：

(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短采樣周期讓系統(tǒng)工作;

(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期;

(3)一定控制度下公式計(jì)算到PID控制器參數(shù)。