【文章內(nèi)容簡介】 信號(hào)為正，要求電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，反饋信號(hào)也為正（ PID算法時(shí)，誤差 =輸入 反饋），同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，反饋信號(hào)越大 。要想搞懂 PID算法的原理，首先必須先明白 P、 I、 D各自的含義及控制規(guī)律： 比例控制器 比例控制的優(yōu)點(diǎn)是簡單而且調(diào)整方便，但它會(huì)產(chǎn)生余差 .余差的大小隨開環(huán)增益的增加而減小。比例控制適用于低階過程，對于一個(gè)具有大時(shí)間常數(shù)的過程 ,因?yàn)檫^程的穩(wěn)定裕度大，往往允許有很大的開環(huán)增益。另外對于具有積分環(huán)節(jié)的對象，使用比例控制器不會(huì)產(chǎn)生余差，而采用 PI控制器卻會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性嚴(yán)重惡化，因此具有積分環(huán)節(jié)的對象特別適合比例控制器。 比例控制器多用于就地控制以及允許有余差存在的場合。例如，大多數(shù)液位控制系統(tǒng)不必要嚴(yán)格控 制，只要儲(chǔ)罐不出現(xiàn)滿溢或抽干，因此比例控制特別適用。 比例積分控制器 積分會(huì)消除余差，所以當(dāng)比例控制產(chǎn)生的余差超過限定值時(shí)，可適用比例積分控制器。在反饋控制器中 ,約有 75%是采用 PI作用的。 一般液位或壓力控制系統(tǒng)對于參數(shù)的要求不嚴(yán)，它追求的是平均值的控制，所以可用比例控制。但流量或快速壓力系統(tǒng)，幾乎總是采用 PI控制。這些系統(tǒng)的廣義對象時(shí)間常數(shù)比較接近，穩(wěn)定裕度小，因而所用比例度大，開環(huán)靜態(tài)增益小，不用積分會(huì)產(chǎn)生很大余差。另外由于滯后小，運(yùn)行周期短，積分時(shí)間可以取得很小，比例作用隨偏差的產(chǎn)生會(huì)瞬 時(shí)變化，而積分作用總是有些滯后，所以有了積分作用并相應(yīng)地將比例作用調(diào)弱，還有利于減少高頻噪聲的影響。 比例積分微分控制器 PI作用消除了余差，但降低了響應(yīng)速度。對于多容過程，它的響應(yīng)速度本身就很慢，加入PI控制器后，就變得更加緩慢了，在這種情況下加入微分作用，用它來補(bǔ)償容量滯后，使系統(tǒng)穩(wěn) 遼寧石油化工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 11 定性得到改善，從而允許使用高的增益，并提高了響應(yīng)速度。 由于溫度控制和成分控制屬于緩慢和多容的過程。所以常使用 PID控制。不過在具有高頻噪聲的場合，不宜使用微分，除非先對噪聲進(jìn)行濾波。 PID控制器的設(shè)計(jì) PID控制的應(yīng)用范圍非常廣泛 ,對于不同的控制對象，控制器的性能要求往往差異很大。一般來說， PID控制器的設(shè)計(jì)過程需要滿足以下幾個(gè)方面的要求： (1)設(shè)計(jì)得到的 PID控制器滿足性能指標(biāo)； (2)基于可知的 /可獲得的過程知識(shí)； (3)滿足計(jì)算能力的限制，設(shè)計(jì)所需要的資源是可獲取的。 (4) 參數(shù)選擇和調(diào)節(jié)原則 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(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，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)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(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。 (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(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（ Steadystate error）。 (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(hào)的積分成正比關(guān)系。對一個(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)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ System 遼寧石油化工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 12 with Steadystate Error）。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。 (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(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比。 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 (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(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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)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(dòng)態(tài)特性。 在 PID 參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)如果能夠有理論的方法確定 PID 參數(shù)當(dāng)然是最理想的方法，但是在實(shí)際的應(yīng)用 中，更多的是通過湊試法來確定 PID 的參數(shù)。增大比例系數(shù) P 一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。 增大積分時(shí)間 I 有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長。增大微分時(shí)間 D 有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動(dòng)的抑制能力減弱。在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)對系統(tǒng)控制過程的影響趨勢，對參數(shù)調(diào)整實(shí)行先比例、后積分，再微分的整定步驟。 首先整定比例部分。將比例參數(shù)由小變大，并 觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi)，并且對響應(yīng)曲線已經(jīng)滿意，則只需要比例調(diào)節(jié)器即可。如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必須加 遼寧石油化工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 13 入積分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)先將積分時(shí)間設(shè)定到一個(gè)比較大的值，然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略為縮小，然后減小積分時(shí)間，使得系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，以期得到滿意的控制過程和整定參數(shù)。 如果在上述調(diào)整過程中對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程反復(fù)調(diào)整還不能 得到滿意的結(jié)果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。首先把微分時(shí)間 D 設(shè)置為 0，在上述基礎(chǔ)上逐漸增加微分時(shí)間，同時(shí)相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，直至得到滿意的調(diào)節(jié)效果。當(dāng)響應(yīng)曲線沒有超調(diào)量，應(yīng)該增加比例系數(shù) P 使響應(yīng)有一定的超調(diào)量。當(dāng)響應(yīng)曲線超調(diào)量太大，應(yīng)該減小比例系數(shù) P 使響應(yīng)的超調(diào)量減小。當(dāng)響應(yīng)曲線有一定超調(diào)量，但是由于積分時(shí)間太長導(dǎo)致響應(yīng)無法平穩(wěn)，應(yīng)該減小積分時(shí)間。當(dāng)響應(yīng)曲線超調(diào)量偏大，積分時(shí)間偏小導(dǎo)致響應(yīng)振蕩，應(yīng)該適當(dāng)減小比例系數(shù)和適當(dāng)增大積分時(shí)間。 按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻 值來控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)和反向的主令裝置。控制器分組合邏輯控制器和 微程序控制器 ，兩種控制器各有長處和短處。組合邏輯控制器設(shè)計(jì)麻煩，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦設(shè)計(jì)完成，就不能再修改或擴(kuò)充，但它的速度快。微程序控制器設(shè)計(jì)方便，結(jié)構(gòu)簡單，修改或擴(kuò)充都方便，修改一條 機(jī)器指令 的功能，只需重編所對應(yīng)的微程序；要增加一條機(jī)器指令，只需在控制 存儲(chǔ)器 中增加一段微程序，但是，它是通過執(zhí)行一段微程。組合邏輯控制器又稱 硬布線控制器 ，由 邏輯電路 構(gòu)成，完全靠硬件來實(shí)現(xiàn) 指令 的功能 [8]。 控制方案的設(shè)計(jì) 單回路控制方案的設(shè)計(jì) 單回路控制系統(tǒng)由一個(gè)測量變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對象所構(gòu)成，系統(tǒng)原理方塊圖如圖 所示。 遼寧石油化工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 14 圖 單回路控制系統(tǒng)原理方塊圖 對于載熱體無相變的換熱器來說，大多采用以載熱體的流量為操作變量，其方案如圖 所示 圖 換熱器單回路控制系統(tǒng)流程圖 控制參數(shù)如下： 被控變量 y：換熱器管程出口溫度。 給定值 (或設(shè)定值 )Ts：對應(yīng)于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值，在本實(shí)驗(yàn)中將換熱器管程出口溫度設(shè)置成 40℃ 。 測量值 Tm：由溫度變送器 TT 檢測出的換熱器管程出口溫度實(shí)際值。 操縱變量 (或控制變量 )：在本實(shí)驗(yàn)中為冷水流量，使用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器對冷水流量進(jìn)行控制。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輸入信號(hào)范圍： 4~20mA；輸出：閥門開度 0~16mm。 串級(jí)控制方案的設(shè)計(jì) 在過程控制中，串級(jí)是改善過程控制質(zhì)量極為有效的 方法之一，在生產(chǎn)過程中得到了廣 遼寧石油化工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 15 泛的應(yīng)用。串級(jí)控制系統(tǒng)在本質(zhì)上是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的最終控制目標(biāo)是將主變量穩(wěn)定在給定值上，副回路的引入大大提高了系統(tǒng)的工作性能，它在克服干擾的過程中起到粗調(diào)的作用，主回路則起到細(xì)調(diào)的作用，并最終保證主變量滿足工藝要求。兩個(gè)回路相互配合，充分發(fā)揮各自的長處，因而控制質(zhì)量必然高于單回路控制系統(tǒng) [9