【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC5等。還有可以實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能開環(huán)控制系統(tǒng):　　　　 開環(huán)控制系統(tǒng)(openloop control system)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒(méi)有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路?！　　　￠]環(huán)控制系統(tǒng):　　　閉環(huán)控制系統(tǒng)(closedloop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)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(fù)反饋，又稱負(fù)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(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過(guò)不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。如果沒(méi)有眼睛，就沒(méi)有了反饋回路，也就成了一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。 PID控制的原理和特點(diǎn) PID控制的原理和特點(diǎn)的概念 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(jiǎn)稱PID控制，又稱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)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)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(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，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)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。 PID控制的分類 比例（P）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)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）。 　　　　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(duì)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(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System 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(duì)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(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 　　　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）成正比關(guān)系。 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(shuō)，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(cè)誤差變化的趨勢(shì)，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(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。 PID控制器的參數(shù)設(shè)定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)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)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，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)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。 PID控制算法PID控制算法的一般形式PID控制器根據(jù)日標(biāo)值(設(shè)定值)r(t)與反饋值(測(cè)量值)c(t)構(gòu)成的控制偏差： e(t)=r(t)c(t)將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為：或 式中Kp： 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Ti： 調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間Td： 調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間e： 調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)δ： 比例帶，它是慣用增益的倒數(shù)u： 輸出簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō) ，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用是這樣的：比例環(huán)節(jié)： 即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小誤差。積分環(huán)節(jié) ：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti， Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié) ：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是：當(dāng)上述控制算法公式只包含第一項(xiàng)時(shí)，稱為比例(P)作用，只包含第二項(xiàng)時(shí)，稱為積分(I)作用。但只包含第三項(xiàng)的單純微分(D)作用是不采用的，因?yàn)樗荒芷鸬绞贡豢刈兞拷咏O(shè)定值的效果，只包含第一、二項(xiàng)的是PI作用。只包含第一、三項(xiàng)的是PD作用。同時(shí)包含這三項(xiàng)的是PID作用。僅用P動(dòng)作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加I動(dòng)作的PI控制。用PI控制時(shí)，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來(lái)擾動(dòng)等引起的偏差。但是，I動(dòng)作過(guò)強(qiáng)時(shí)，對(duì)快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對(duì)有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨(dú)使用P動(dòng)作控制。對(duì)于PID控制，發(fā)生偏差時(shí)，很快產(chǎn)生比單獨(dú)D動(dòng)作還要大的操作量，以此來(lái)抑制偏差的增加。偏差小時(shí)，P動(dòng)作的作用減小。控制對(duì)象含有積分元件的負(fù)載場(chǎng)合，僅P動(dòng)作控制，有時(shí)由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場(chǎng)合，為使P動(dòng)作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用PD控制。換言之，該種控制方式適用于過(guò)程本身沒(méi)有制動(dòng)作用的負(fù)載。利用I動(dòng)作消除偏差作用和用D動(dòng)作抑制振蕩作用，在結(jié)合P動(dòng)作就構(gòu)成了PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無(wú)偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過(guò)程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時(shí)間的負(fù)載系統(tǒng)(即實(shí)時(shí)性要求不高，工業(yè)上的過(guò)程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合PID調(diào)節(jié))效果比較好。 PID參數(shù)整定的相關(guān)原則針對(duì)一個(gè)具體的系統(tǒng)，設(shè)置和調(diào)整PID參數(shù)，使調(diào)節(jié)過(guò)程達(dá)到滿意的品質(zhì)，稱為參數(shù)整定，不管是用常規(guī)調(diào)節(jié)器還是數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，統(tǒng)稱為調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。下面簡(jiǎn)單列舉一些的準(zhǔn)則： 如果廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)是，調(diào)節(jié)器的比例增益是整個(gè)系統(tǒng)總的開環(huán)增益是。在其他因素相同的情況下，當(dāng)大的時(shí)候，應(yīng)該小一些，小的時(shí)候，應(yīng)該大一些。 在動(dòng)態(tài)參數(shù)方面，可取 作為特征值越大，系統(tǒng)越不易穩(wěn)定，因此應(yīng)該小一些。同時(shí)，和也應(yīng)取適當(dāng)?shù)臄?shù)值。經(jīng)驗(yàn)上常取為2左右，為0。5左右。因此，如有T的估計(jì)值，和值就不難定出了。在 P，I，D 三個(gè)作用中，P作用往往是最基本的控制作用。由這一點(diǎn)出發(fā)，可從兩條途徑之一進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)湊試：(1)先用單純的P作用，選出合適的值，作為基礎(chǔ)，然后適當(dāng)引入和， Ti和Td值進(jìn)行挑選。(2)依據(jù)驗(yàn)前知識(shí)(如對(duì)T的了解)，把Ti和Td置于合適的數(shù)值，然后主要對(duì)值進(jìn)行湊試，得出最合宜的數(shù)值。以上兩條途徑表面上看來(lái)截然相反，但它們都是以承認(rèn)P作用為主體作為前提的。積分(I)作用的引入既有利又有弊。必須盡量發(fā)揮它能消除余差的利，盡量縮小它不利于穩(wěn)定的弊。一般取=(0。5～1)， (是振蕩周期)。在以上情況下，由I作用引起的相位滯后不超過(guò)400，幅值比增加不超過(guò)20%。即使如此，在引入I作用后，應(yīng)比單純P作用時(shí)減小10%左右。對(duì)于含有噪音的過(guò)程，不宜引入微分作用，否則高頻分量放大得很厲害。 在控制品質(zhì)方面，穩(wěn)定性的要求是前提。如果只有一個(gè)調(diào)節(jié)器參數(shù)可以調(diào)整，則只能滿足一個(gè)品質(zhì)指示，通常就取衰減比作為指標(biāo)。如果有兩個(gè)參數(shù)可以調(diào)整，在可在衰減比之外，再添加一個(gè)指標(biāo)。 PID指令的使用注意事項(xiàng)PID控制器的選取:PID控制器的性能和處理速度只與所采用的CPU的性能有關(guān)。對(duì)于任意給定的CPU，控制器的數(shù)量和每個(gè)控制器被調(diào)用的頻率是相互矛盾的?？刂骗h(huán)執(zhí)行的速度，也即在每個(gè)時(shí)間單元內(nèi)操作值必須被更新的頻率決定了可以安裝的控制器的數(shù)量。對(duì)要控制的過(guò)程類型沒(méi)有限制，遲延系統(tǒng)（溫度、液位等）和快速系統(tǒng)（流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速等）都可以作為被控對(duì)象。過(guò)程分析時(shí)應(yīng)注意：控制過(guò)程的靜態(tài)性能（比例）和動(dòng)態(tài)性能（時(shí)間延遲、死區(qū)和重設(shè)時(shí)間等）對(duì)被控過(guò)程控制器的構(gòu)造和設(shè)計(jì)以及靜態(tài)（比例）和動(dòng)態(tài)參量（積分和微分）的維數(shù)選取有著很大的影響。準(zhǔn)確地了解控制過(guò)程的類型和特性數(shù)據(jù)是非常必要的?？刂破鬟x取時(shí)應(yīng)注意：控制環(huán)的特性由被控過(guò)程或被控機(jī)械的物理特性決定，并且設(shè)計(jì)中可以改變的程度不是很大。只有選用了最適合被控對(duì)象的控制器并使其適應(yīng)過(guò)程的響應(yīng)時(shí)間，才能得到較高的控制質(zhì)量。不用通過(guò)編程就可以生成控制器的大部分功能（構(gòu)造、參數(shù)設(shè)置和在程序中的調(diào)用等），前提是必須已經(jīng)掌握編程基礎(chǔ)知識(shí)。 PID回路類型的選擇 在許多控制系統(tǒng)中，只需要一種或兩種回路控制類型。例如只需要比例回路或者比例積分回路。通過(guò)設(shè)置常量參數(shù)．可先選用想要的回路控制類型。 如果不想要積分回路，可以把積分時(shí)間設(shè)為無(wú)窮大。即使沒(méi)有積分作用，積分項(xiàng)還是不為0因?yàn)橛谐踔礛X，但積分作用可以忽略。如果不想要微分回路，可以把微分時(shí)間設(shè)為0，如果不想要比例回路，但需要積分或微分回路，分項(xiàng)和微分項(xiàng)時(shí)，把增益當(dāng)作1看待。 正作用或反作用回