【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定，其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）或有滯后的組件，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(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)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，就能提前使抑制誤差的作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。因此對(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(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。(6) 比例積分微分環(huán)節(jié)PID控制通過(guò)積分作用消除誤差，而微分控制可縮小超越量，加快反應(yīng)，是綜合了PI控制與PD控制長(zhǎng)處并去除其短處的控制。從頻域角度看，PID控制通過(guò)積分作用于系統(tǒng)的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，而微分作用于系統(tǒng)的中頻段，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。所以從時(shí)間的角度講，比例作用是針對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前偏差進(jìn)行控制，積分作用則針對(duì)系統(tǒng)偏差的歷史，而微分作用則反映了系統(tǒng)偏差的變化趨勢(shì)，這三者的組合是“過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)”的完美結(jié)合。事實(shí)表明，對(duì)于PID這樣簡(jiǎn)單的控制器，能夠適用于廣泛的工業(yè)與民用對(duì)象，并仍以很高的性價(jià)比在市場(chǎng)中占據(jù)著重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品質(zhì)。概括地講，PD控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:(1)原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多實(shí)際需要的基本控制器。(2)控制器適用于多種不同的對(duì)象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)魯棒性。確切地說(shuō)，在很多情況下其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)攝動(dòng)不敏感。但從另一方面來(lái)講，控制算法的普適性也反映了PID控制器在控制品質(zhì)上的局限性。具體分析，其局限性主要來(lái)自以下幾個(gè)方面:(1)算法結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)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(shí)滯、開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定過(guò)程等難控對(duì)象時(shí)，需要通過(guò)多個(gè)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。(2)算法結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性同時(shí)決定了PID控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點(diǎn)。閉環(huán)特性從根本上只是基于動(dòng)態(tài)特性的低階近似假定的。(3)出于同樣的原因，決定了單一PID控制器無(wú)法同時(shí)滿足對(duì)假定設(shè)定值控制和伺服/跟蹤控制的不同性能要求?！?】 PID參數(shù)整定方法自Ziegler和Nichols提出PID參數(shù)整定方法起，隨著各種技術(shù)和理論的發(fā)展，PID參數(shù)整定的方法越來(lái)越多。1. 傳統(tǒng)整定方法(1)ZieglerNichols經(jīng)驗(yàn)公式(ZN公式法)。該方法先求取系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)對(duì)象的純遲延時(shí)間、時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)，按ZieglerNichols經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算PID參數(shù)。此方法簡(jiǎn)單易行，但參數(shù)需要進(jìn)一步調(diào)整，一般用于手工計(jì)算和設(shè)置控制器初值。(2)穩(wěn)定邊界法(臨界比例度法)。該方法需要做穩(wěn)定邊界實(shí)驗(yàn)，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動(dòng)，從較大的比例帶開(kāi)始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)臨界振蕩為止，記下臨界振蕩周期和臨界比例帶。然后按照經(jīng)驗(yàn)公式確定PID參數(shù)。由于不易使系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)定的臨界振蕩或不允許系統(tǒng)離線進(jìn)行參數(shù)整定，臨界參數(shù)的獲取通常用Astrom和Hagglund提出的繼電反饋法。它既能保證實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)振蕩，又不需離線進(jìn)行，是獲得過(guò)程臨界信息的最簡(jiǎn)便方法之一。對(duì)一階慣性加純遲延的對(duì)象，時(shí)間常數(shù)T較大時(shí)，整定費(fèi)時(shí)。對(duì)干擾多且頻繁的系統(tǒng)，要求振蕩幅值足夠大。(3)衰減曲線法。該方法與臨界比例度法類(lèi)似，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動(dòng)，從較大的比例帶開(kāi)始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)4:1的衰減過(guò)程為止，記下此時(shí)比例帶以及相鄰波峰之間的時(shí)間。然后按照經(jīng)驗(yàn)公式確定PID參數(shù)。傳統(tǒng)的PID參數(shù)整定主要是一些手動(dòng)整定方法，階躍響應(yīng)是其整定PID參數(shù)的主要依據(jù)。這種方法僅根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)整定控制器的參數(shù)，具有物理意義明確的優(yōu)點(diǎn)，可以以較少的試驗(yàn)工作量和簡(jiǎn)便的計(jì)算，得出控制器參數(shù)，因而在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。事實(shí)上，因其簡(jiǎn)單實(shí)用，在目前的許多企業(yè)中，傳統(tǒng)的PID參數(shù)整定方法仍在大量應(yīng)用，尤其是在單回路系統(tǒng)中。但運(yùn)用該方法得到的控制器參數(shù)比較粗糙，控制效果只能滿足一定要求，參數(shù)的優(yōu)化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。同時(shí)，對(duì)于一些系統(tǒng)，由于控制對(duì)象的復(fù)雜性、變化性，難以運(yùn)用傳統(tǒng)方法進(jìn)行整定。1984年，著名瑞典自動(dòng)控制學(xué)者Astrom提出了繼電器振蕩PID參數(shù)自動(dòng)整定技術(shù)，在繼電反饋下觀測(cè)被控過(guò)程的極限環(huán)振蕩，對(duì)過(guò)程施加周期性方波，根據(jù)極限環(huán)的特征確定過(guò)程的基本性質(zhì)，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算即可得出動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)學(xué)模型的有用信息:臨界振蕩周期Tu和臨界增益Ku。另外由Tu還可得到采樣周期的估計(jì)值，再利用ZN經(jīng)驗(yàn)公式或其它經(jīng)驗(yàn)公式即可計(jì)算出PID的參數(shù)。從根本上說(shuō)，這仍然是根據(jù)過(guò)程響應(yīng)來(lái)整定參數(shù)，是傳統(tǒng)整定方法的延續(xù)，得到的結(jié)果仍然是比較粗糙的，只能滿足一定的性能指標(biāo)?！?】(4)積分項(xiàng)改進(jìn)的數(shù)字PID控制在一般的PID控制中，當(dāng)存在較大的擾動(dòng)和大幅度給定值變化時(shí)，此時(shí)有較大的偏差，由于系統(tǒng)的慣性和滯后，如果施加積分控制，往往會(huì)導(dǎo)致超大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)節(jié)時(shí)間。特別是對(duì)于溫度、成分等變化緩慢的過(guò)程控制，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重。實(shí)際中常采取積分分離措施，即當(dāng)偏差較大時(shí)，不施加積分控制；當(dāng)偏差較小時(shí)，才施加積分控制。即：，采用PD控制；，采用PID控制。其中，為積分分離值，它可根據(jù)具體對(duì)象及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求來(lái)確定。實(shí)際中的值要選的合適，若值過(guò)大，則達(dá)不到積分分離的目的；若值過(guò)小，一旦被控量無(wú)法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)行PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。積分分離時(shí)，取常見(jiàn)的積分項(xiàng)改進(jìn)的數(shù)字PID控制算法還有抗積分飽和算法、梯形積分算法和消除積分不靈敏區(qū)的算法。(5) 數(shù)字變PID控制對(duì)于波動(dòng)范圍大、變化迅速的系統(tǒng)，普通的PID控制效果往往不能滿足控制的要求。因?yàn)槠胀≒ID的控制系統(tǒng)其P、I、D三個(gè)參數(shù)在整定時(shí)對(duì)當(dāng)時(shí)的被調(diào)參量可能是合適的，但是被調(diào)參量時(shí)刻都在變化并且有時(shí)可能波動(dòng)范圍很大。此時(shí)如果再用以前已整定好的PID參數(shù)來(lái)控制此時(shí)的被調(diào)參量，控制效果肯定不理想。根據(jù)被調(diào)參數(shù)的波動(dòng)情況由控制系統(tǒng)自動(dòng)選擇P、I、D控制參數(shù)的方法，即分段控制方法可以取得較好的控制效果。其基本思想為：同一PID控制回路提供兩套以上P、I、D參數(shù)，各套參數(shù)分別適用于不同的波動(dòng)范圍，由程序根據(jù)當(dāng)時(shí)波動(dòng)范圍自動(dòng)選擇相應(yīng)的PID參數(shù)。I積分時(shí)間在PID控制系統(tǒng)中起著消除靜差的作用，I值越短積分在控制系統(tǒng)中的作用越強(qiáng)，I的各個(gè)分段值應(yīng)根據(jù)對(duì)PID控制系統(tǒng)的被調(diào)參量的波動(dòng)范圍確定。同時(shí)分段設(shè)定高值與分段設(shè)定低值的大小也應(yīng)根據(jù)PID控制系統(tǒng)的要求而定?！?】隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和最優(yōu)控制理論的發(fā)展，PID參數(shù)的整定方法發(fā)生了很大的變化，出現(xiàn)了一些基于計(jì)算機(jī)的PID參數(shù)最優(yōu)整定方法。最優(yōu)控制理論的應(yīng)用，加上計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力，賦予了PID參數(shù)優(yōu)化這樣的多變量最優(yōu)化問(wèn)題新的生命力，PID控制器的最優(yōu)化整定方法是針對(duì)特定的系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用諸如最速下降法等各種數(shù)值解法按照一定的性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。常用的性能指標(biāo)除ISE，IAE，ISTE，ITAE，IST2E等指標(biāo)外，還有改進(jìn)ITAE指標(biāo)，對(duì)階躍響應(yīng)過(guò)程中不同響應(yīng)階段區(qū)別對(duì)待，不同階段的偏差賦予不同的權(quán)重，以獲得更佳的控制品質(zhì)。加權(quán)二次型性能言指標(biāo)，主要用于多變量系統(tǒng)的最優(yōu)化。目前還有一種基于偏差積分指標(biāo)最小準(zhǔn)則的工程實(shí)用參數(shù)整定法，它根據(jù)被控對(duì)象的開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)曲線，求取被控對(duì)象的等效純遲延時(shí)間、時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)，得到等效過(guò)程模型，由此模型按最優(yōu)化方法計(jì)算得出一系列參數(shù)。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，只需根據(jù)實(shí)際過(guò)程特性，帶入經(jīng)驗(yàn)公式即可計(jì)算最優(yōu)PID參數(shù)。相對(duì)傳統(tǒng)整定方法來(lái)說(shuō)，數(shù)值最優(yōu)化方法有著明顯的優(yōu)越性，優(yōu)化的結(jié)果比較精確，控制效果比較好。但運(yùn)用數(shù)值最優(yōu)化方法必須建立較精確的數(shù)學(xué)模型，且對(duì)模型的要求比較嚴(yán)格，一般要求在解空間連續(xù)可導(dǎo)。此外，從某種意義上說(shuō)，數(shù)值解析最優(yōu)化方法只是一種局部尋優(yōu)的方法，易陷入局部最小。而且某種數(shù)值解法通常只對(duì)某一類(lèi)問(wèn)題適用，對(duì)于不同的系統(tǒng)，需要根據(jù)系統(tǒng)的特性選擇合適的方法。近年來(lái)，隨著智能控制理論的發(fā)展，專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)日益受到控制界的重視，出現(xiàn)了一些智能優(yōu)化手段，主要有如下幾種:（1）專(zhuān)家智能型PID參數(shù)自整定技術(shù)。該自整定技術(shù)在線觀察系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可識(shí)別過(guò)程的響應(yīng)參數(shù)，并由此確定PID控制器參數(shù)。識(shí)別過(guò)程利用了閉環(huán)回路中存在的干擾，無(wú)需對(duì)被控對(duì)象做階躍擾動(dòng)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)干擾響應(yīng)的觀察，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的識(shí)別，然后由專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。專(zhuān)家系統(tǒng)的核心就是知識(shí)庫(kù)，控制器參數(shù)的調(diào)整完全依賴于專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，無(wú)需過(guò)程對(duì)象模型，但不同的專(zhuān)家整定參