王學華

摘要:文章介紹PID控制的基本理論,包括基本原理、算法以及特點;控制規(guī)律以及采樣周期的選擇;介紹PID控制器各個參數的性能以及控制器的分類等問題,為今后求PID控制器參數的自整定技術,以適應復雜的工況和高指標的控制要求奠定基礎。

關鍵詞:PID控制,控制性能,整定方法

中圖分類號:TM762 文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)24-0021-02

按偏差的比例、積分和微分進行控制的調節(jié)器(簡稱PID調節(jié)器、也稱PID控制器)。由于其算法簡單、魯棒性能好、可靠性高等優(yōu)點,PID控制策略被廣泛應用于工業(yè)過程控制中。.而實際生產過程中往往具有非線性、不確定性,難以建立精確的數學模型,應用常規(guī)的PID控制器難以達到理想的控制效果在實際生產過程中,由于受到參數整定方法煩雜的困擾,常規(guī)PID控制器參數往往整定不良、性能欠佳,對運行環(huán)境的適應性較差[1]。針對上述問題,長期以來,人們一直在尋求PID控制器參數的自整定技術,以適應復雜的工況和高指標的控制要求。

1PID控制基本原理

PID控制器本身是一種基于對“過去”、“現在”和“未來”信息估計的簡單控制算法。系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對象組成。作為一種線性控制器,它根據給定值和實際輸出值構成控制偏差,將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量,對被控對象進行控制,故稱PID控制器。在連續(xù)控制系統(tǒng)中,P1D控制器的輸出u(t)與輸入e(t)之間成比例、積分、微分的關系[2]。在計算機控制系統(tǒng)中,使用比較普遍的也是PID控制策略。

1.1 PID控制器參數對控制性能的影響

①比例作用。比例作用的引入是為了及時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號e(t),以最快速度產生控制作用,使偏差向減小的趨勢變化。首先,對動態(tài)特性的影響來看,比例控制參數Kc加大,使系統(tǒng)的動作靈敏,速度加快,Kc偏大,振蕩次數加多,調節(jié)時間加長。當Kc太大時,系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定,若Kc太小,又會使系統(tǒng)的動作緩慢。其次,對穩(wěn)態(tài)特性的影響來看,加大比例系數Kc,在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下,可以減小穩(wěn)態(tài)誤差ess,提高控制精度,但是加大Kc只是減少ess,卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。

在PID控制的閉環(huán)系統(tǒng)中,對于設定值的變化和外擾的響應是不同的,在工程應用上對兩者的性能要求也有所不同,對設定值的變化一般要求滿足一定的前提條件,如無超調下的快速跟蹤;對外擾則希望閉環(huán)系統(tǒng)在具有一定衰減比的情況下快速克服。

②積分作用。積分作用的引入,主要是為了保證被控量在穩(wěn)態(tài)時對設定值的無靜差跟蹤,它對系統(tǒng)的性能影響可以體現在以下兩方面:首先對動態(tài)特性的影響來看,積分作用通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。如果積分時間Ti太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定,Ti偏小,振蕩次數較多;如果Ti太大,對系統(tǒng)性能的影響減少,當Ti合適時,過渡特性比較理想。其次,對穩(wěn)態(tài)特性的影響來看,積分作用能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,提高控制系統(tǒng)的控制精度。但是Ti太大時,積分作用太弱,以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。

③微分作用。微分作用通常與比例作用或積分作用聯合作用,構成PID控制或者PID控制。微分作用的引入,主要是為了改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性,如使超調量較小,調節(jié)時間縮短,允許加大比例控制,使穩(wěn)態(tài)誤差減小,提高控制精度。當微分時間Td偏大時,超調量較大,調節(jié)時間較長;當Td偏小時,超調量也較大,調節(jié)時間也較長;只有合適時,可以得到比較滿意的過渡過程。直觀地分析,假設被控對象存在一定的慣性,微分作用將使得控制作用與被控量,與偏差量未來變化趨勢之間形成近似的比例關系。從頻域分析的角度講,微分作用等效于一個高通濾波器,即有可能在控制輸出中引入較強的高頻噪聲,這是實際控制所不希望的。

1.2 PID控制算法特點

PID這樣簡單的控制器,能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對象,并仍以很高的性價比在市場中占據著重要地位,充分地反映了PID控制器的良好品質。總的來說,PID控制的優(yōu)點主要體現在以下兩個方面:①原理簡單、結構簡明、實現方便,是一種能夠滿足大多數實際需要的基本控制器;②控制器適用于多種截然不同的對象,算法在結構上具有較強的魯棒性。

確切地說,在很多情況下其控制品質對被控對象的結構或參數攝動不敏感。但從另一方面來講,控制算法的普適性也反映了PID控制器在控制品質上的局限性。具體分析,其局限性主要來自以下幾個方面:首先,算法結構的簡單性決定了PID控制比較適用于SISO最小相位系統(tǒng),在處理大時滯、開環(huán)不穩(wěn)定過程等難控對象時,需要通過多個PID控制器或與其他控制器的組合,才能得到較好的控制效果。其次,算法結構的簡單性同時決定了PID控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數主要零極點;閉環(huán)特性從根本上只是基于動態(tài)特性的低階近似假定的。第四,出于同樣的原因,決定了單一PID控制器無法同時滿足對假定設定值控制和伺服/跟蹤控制的不同性能要求。

1.3控制規(guī)律的選擇

PID控制器參數整定的目的就是按照己定的控制系統(tǒng),求得控制系統(tǒng)質量最佳的調節(jié)性能。合適的PID參數整定可以提高自控投用率,增加裝置操作的平穩(wěn)性。對于不同的對象,閉環(huán)系統(tǒng)控制性能的不同要求,通常需要選擇不同的控制方法,控制器結構等;PID控制參數Kp、Tl、Td相互獨立,參數整定比較方便:PID算法比較簡單,計算工作量比較小,容易實現多回路控制。但使用中要根據對象特性,負載情況,合理選擇控制規(guī)律以達到最佳控制。大致上,系統(tǒng)控制規(guī)律的選擇主要有下面幾種情況:①對于一階慣性的對象,如果負荷變化不大,工藝要求不高,可采用比例控制。例如,用于壓力、液位、串級副控回路等。②對于一階慣性與純滯后環(huán)節(jié)串聯的對象,如果負荷變化不大,控制要求精度較高,可采用比例積分控制。例如,用于液壓、流量、液位的控制。③對于純滯后時問較大,負荷變化也較大,控制性能要求較高的場合,可采用比例積分微分控制。例如,用于過熱蒸汽溫度控制,pH值控制。④對于二階以上慣性與純滯環(huán)節(jié)串聯的對象,負荷變化也較大,控制性能要求較高時,應采用串級控制、前饋-反饋、前饋-串級或純滯后補償控制。例如,用于電機的調速控制。

2PID參數整定方法分類

在長期的工程實踐中,人們已經積累了有關如何用好PID控制策略的豐富經驗。特別是在工業(yè)過程控制中,由于控制對象的精確數學模型難以建立,系統(tǒng)參數又經常發(fā)生變化,運用現代控制理論進行分析、綜合要耗費很大代價進行模型辯識,且往往不能得到預期的效果,所以人們常用PID調節(jié)器,并根據經驗進行參數整定。同其它控制方法一樣,幾十年來,PID控制的參數整定方法和技術也處于不斷發(fā)展中,特別是近年來,國際自動控制領域對PID控制的參數整定方法的研究仍在繼續(xù),許多重要國際雜志不斷發(fā)表新的研究成果,PID控制的參數整定方法和技術也處于不斷發(fā)展中。

自Ziegler-Nichols提出PID參數整定方法以來,許多技術己經被應用于PID控制器的手動和自動整定中。其中單變量PID參數整定方法包括現有大多數整定方法,多變量PID參數整定方法是最近研究的熱點及難點;線性PID參數整定方法適用于經典PID調節(jié)器,非線性PID參數整定方法適用于由非線性跟蹤微分器和非線性組合方式生成的非線性PD控制器。

目前,在眾多的整定方法中,主要有兩種方法在實際工業(yè)過程中應用較好。一種是基于模式識別的參數整定方法(基于規(guī)則),另一種是基于繼電器反饋的參數整定方法(基于模型)。這些技術極大地簡化了PID控制器的使用,顯著改進了它的性能,它們被統(tǒng)稱為自適應智能控制技術。

3結語

隨著控制理論與技術的發(fā)展以及計算機技術所能提供的更強大的分析處理手段,PID控制及參數的智能化整定將會在控制領域得到更廣泛的應用。