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PID控制的概念介紹
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概述 當今的自動控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分:測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量,與期望值相比較,用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。
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8 u0 A& @2 H! j2 S) T 這個理論和應(yīng)用自動控制的關(guān)鍵是,做出正確的測量和比較后,如何才能更好地糾正系統(tǒng)。
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/ U+ r; n5 _( a" g PID(比例-積分-微分)控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史,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。% L4 Q/ h! P. k/ `: G1 R( P* f
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7 x* n; H" ?: Y: z& u1 m' F1 A& h5 | 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+ @2 U7 E o% B F$ E4 v( f: l
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: f/ l7 `* d6 e5 D$ E1 k 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
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因此它的傳遞函數(shù)為:G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)
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其中kp為比例系數(shù); TI為積分時間常數(shù); TD為微分時間常數(shù)
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基本用途 它由于用途廣泛、使用靈活,已有系列化產(chǎn)品,使用中只需設(shè)定三個參數(shù)(Kp, Ti和Td)即可。在很多情況下,并不一定需要全部三個單元,可以取其中的一到兩個單元,但比例控制單元是必不可少的。+ {3 J: ?5 h$ N- S8 }$ i9 p' b% C
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1 i# _$ U% [2 W3 b0 L3 c$ o 首先,PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的,但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng),這樣PID就可控制了。- W1 g" h/ {* i4 `# [
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6 g: B+ i/ C0 P; g- u) L+ K 其次,PID參數(shù)較易整定。也就是,PID參數(shù)Kp,Ti和Td可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化,例如可能由負載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化,PID參數(shù)就可以重新整定。
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3 y( R# G2 O+ ?/ w& I 第三,PID控制器在實踐中也不斷的得到改進,下面兩個改進的例子。" r8 y- n. X/ l5 Q2 d
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在工廠,總是能看到許多回路都處于手動狀態(tài),原因是很難讓過程在“自動”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足,采用PID的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費等問題的困擾。PID參數(shù)自整定就是為了處理PID參數(shù)整定這個問題而產(chǎn)生的,F(xiàn)在,自動整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個標準。: T$ L+ U, y9 @1 x
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在一些情況下針對特定的系統(tǒng)設(shè)計的PID控制器控制得很好,但它們?nèi)源嬖谝恍﹩栴}需要解決:
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如果自整定要以模型為基礎(chǔ),為了PID參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環(huán)工作時,要求在過程中插入一個測試信號。這個方法會引起擾動,所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。
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/ G# t" ~5 n$ T/ H+ p' q P 如果自整定是基于控制律的,經(jīng)常難以把由負載干擾引起的影響和過程動態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來,因此受到干擾的影響控制器會產(chǎn)生超調(diào),產(chǎn)生一個不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外,由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法,參數(shù)整定可靠與否存在很多問題。 M5 U7 B+ C1 L/ }. u# B
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因此,許多自身整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動計算PID參數(shù)。
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2 a4 ]# a h, k I. A! ]( l: z* s PID在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時,工作地不是太好。最重要的是,如果PID控制器不能控制復(fù)雜過程,無論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。
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雖然有這些缺點,PID控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器 + j3 }7 H% \$ i( D" E, x* P
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( P0 D% m5 V% B1 ?. s現(xiàn)實意義 目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。同時,控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。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?刂破鞯妮敵鼋(jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu),加到被控系統(tǒng)上;控制系統(tǒng)的被控量,經(jīng)過傳感器,變送器,通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng),其傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器(儀表)已經(jīng)很多,產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用,有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品,各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator),其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。有利用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。 可編程控制器(PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制,而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連,如Rockwell的PLC-5等。還有可以實現(xiàn) PID控制功能的控制器,如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列,它可以直接與ControlNet相連,利用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)其遠程控制功能。
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1、開環(huán)控制系統(tǒng)
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* C5 Y/ M) d1 M% c, D+ s' [% R 開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中,不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。, D/ D& C1 Q% A6 q5 Y7 t" ]$ j
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2、閉環(huán)控制系統(tǒng)) K! b' _3 N. |, h
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閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出,形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋,若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反,則稱為負反饋( Negative Feedback),若極性相同,則稱為正反饋,一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋,又稱負反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),眼睛便是傳感器,充當反饋,人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛,就沒有了反饋回路,也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。另例,當一臺真正的全自動洗衣機具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈,并在洗凈之后能自動切斷電源,它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。
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3、階躍響應(yīng)3 y( O! L; W% x& f
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階躍響應(yīng)是指將一個階躍輸入(step function)加到系統(tǒng)上時,系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進入穩(wěn)態(tài)后,系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差?刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability),一個系統(tǒng)要能正常工作,首先必須是穩(wěn)定的,從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的;準是指控制系統(tǒng)的準確性、控制精度,通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(Steady-state error)描述,它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差;快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性,通常用上升時間來定量描述。0 _# \2 l I5 q
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4、PID控制的原理和特點) i1 y5 H+ g9 a# p& V+ y0 s
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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。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象,或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時,最適合用PID控制技術(shù)。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。
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* ]2 ?; Z( C# ?6 F% i9 q, j 比例(P)控制* n& A# }1 S8 {+ G* C
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D+ D; y: @6 ] 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。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steady-state error)。. j8 a- J" U& o2 }
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& d5 b0 v. }0 R' w$ p# a+ I8 c 積分(I)控制
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/ M. D& `' H& w: M: W% f 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)(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。
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微分(D)控制
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! T* z: O8 D2 j( L+ _+ e5 Z 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(delay)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,而目前需要增加的是“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。$ {" S2 R& q, C4 p V2 V7 W; K' V
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