【導(dǎo)讀】1. PIDcontroller. loopbasics. 2. achangethatist

　　

【正文】 要的控制輸出置零取得。在控制系統(tǒng)中存在 P,PI,PD,PID 調(diào)節(jié)器。 PI 調(diào)節(jié)器很普遍，因為微分控制對測量噪音非常敏感。積分作用的缺乏可以防止系統(tǒng)根據(jù)控制目標(biāo)而 達(dá)到它的目標(biāo)值。 注釋：由于控制理論和應(yīng)用領(lǐng)域的差異，很多相關(guān)變量的命名約定是常用的。 控制環(huán)基礎(chǔ) 一個關(guān)于控制環(huán)類似的例子就是保持水在理想溫度，涉及到兩個過程，冷、熱水的混合。人可以憑觸覺估測水的溫度?；诖怂麄冊O(shè)計一個控制行為：用冷水龍頭調(diào)整過程。重復(fù)這個過程，調(diào)節(jié)熱水流直到溫度處于期望的穩(wěn)定值。 感覺水溫就是對過程值或變量的測量。期望得到的溫度稱為給定值?？刂破鞯妮敵鰧ο蠛瓦^程的輸入對象稱為控制參數(shù)。測量值與給定值之間的差就是偏差值，太高、太低或正常。作為一個控制器，在確定溫度給定值后，就可以粗略決 定改變閥門位置多少，以及怎樣改變偏差值。首次估計即是 PID 控制器的比例度的確定。當(dāng)它幾乎正確時，PID 控制器的積分作用就是起著逐漸調(diào)整溫度的作用。微分作用就是根據(jù)水溫變得更熱、更冷，以及變化速率來決定什么時候、怎樣調(diào)整那些閥門。當(dāng)偏差小時而做了一個大變動，相當(dāng)于一個大的調(diào)整控制器，會導(dǎo)致超調(diào)。如果控制器反復(fù)進(jìn)行大的變動并且反復(fù)越過給定值的改變，控制環(huán)將會不穩(wěn)定。輸出值將在期望值或一常量周圍擺動，甚至破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性。人不會這樣做，因為我們是有智慧的控制人員，可以從歷史經(jīng)驗中學(xué)習(xí)，但 PID 控制器沒有學(xué)習(xí)能力， 必須正確的設(shè)定。為有效的控制系統(tǒng)選擇正確的參數(shù)被稱為整定控制器。 如果控制器在零偏差從穩(wěn)定開始，然后進(jìn)一步的變化將導(dǎo)致其它一些影響過程的能測量、不能測量值的變化，并且作用于偏差值上。除主過程以外，其他的對擾動有影響的過程可以用來抑制擾動或?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)值的改變。供給水溫的變化就構(gòu)成了對過程的一個擾動。 11 理論上，控制器能用來控制可測量對象，以及可以影響偏差的輸出、輸入標(biāo)準(zhǔn)值的所有過程參數(shù)。控制器在工業(yè)中被用來調(diào)節(jié)溫度，壓力，流速，化學(xué)組成，速度以及其它任何存在可測量的對象。汽車游覽控制就是一個自動化的過程控制的例 子。 由于它們悠久的歷史，簡易，良好的理論基礎(chǔ)以及簡單的設(shè)置、維護(hù)要求， PID 控制器被許多應(yīng)用實踐所采納。 控制器理論 注釋：這部分描述 PID 控制器理想平行或非相互作用的形式。關(guān)于其他形式，請看“其它的表達(dá)式和 PID 形式”這部分。 PID 控制是根據(jù)它的三個參數(shù)而命名的，三參數(shù)結(jié)合起來就形成控制參數(shù)。因此： Pout， Iout 和 Dout 是控制器的三個參數(shù)，下面分別予以確定。 比例度 比例度是根據(jù)當(dāng)前的錯誤值而做出的變動。比例度可以通過恒定的 Kp 增加來調(diào)整，稱為比例增益。 比例度計算如下： Pout:比例度 Kp：比例系數(shù)，協(xié)調(diào)參數(shù)。 e:偏差 =SPPV t:時間或瞬時時間（當(dāng)前的） 一個高的比例增益產(chǎn)生于一種輸出值的大的變化。如果比例增益太高，系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定。響應(yīng)地，一個小的調(diào)整產(chǎn)生于一小的輸出變化，而如果比例增益太低，當(dāng)對系統(tǒng)振蕩作出反映時，控制作用可能太小。 缺少擾動的情況下，純粹的比例控制不能完全解決問題，但是將保留從過程中獲得的具有比例增益的功能的穩(wěn)態(tài)偏差。盡管有穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償，理論和工業(yè)實踐都表明比例度在輸出控制中起到大部分的作用。 積分值 積分值的大小與偏差的大小及持 續(xù)時間成正比。根據(jù)即時的超時的錯誤改正，進(jìn)行積累補(bǔ)償。積累的誤差通過積分調(diào)節(jié)后再作用于輸出。對總的控制作用的積分大小由積分時間常數(shù)來決定，即 Ki，積分值計算如下： Iout：積分值 12 Ki:積分時間常數(shù)，協(xié)調(diào)參數(shù) e:偏差 =SPPV ζ：積分時 間 積分值加速面向設(shè)定值的過程運動并且消除殘余的只與控制器發(fā)生作用的穩(wěn)態(tài)偏差。然而，因為積分從過去的積累誤差作出反應(yīng)，引起當(dāng)前的值越過設(shè)定值（跨過設(shè)定值向其它方向改變）。想了解更多的關(guān)于積分和控制器穩(wěn)定度的知識，請參見關(guān)于環(huán)路調(diào)諧的部分。 微分值 過程偏差的變化率通過超時錯誤的斜率來計算（即它第一個關(guān)于調(diào)節(jié)的微分），并增加由微分時間常數(shù) Kd 引起的變化的速率。對整個控制行為的微分作用的大小稱為微分值 Kd。 微分值計算如下： Dout:微分輸出值 Kd:微分時間常數(shù)，協(xié)調(diào)參數(shù) e:偏差 =SPPV t:時間或瞬時時間（當(dāng)前的） 微分作用減緩了控制器輸出的變化率，這種效果最接近于控制器的給定值。因此，微分控制用來降低由積分部分產(chǎn)生的因素并改進(jìn)控制器過程控制的穩(wěn)定度。但是，信號噪音對偏差值非常敏感，而且如果噪音和微分度足夠大的話，將使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。 摘要 三種參數(shù)控制的輸出值，比例，積分和微分綜合起來能夠計算出 PID 調(diào)節(jié)器的輸出，計算控制器輸出時， PID 算法的最終形式 u(t)為： 協(xié)調(diào)參數(shù)分別是： Kp:比例增益 — 偏差愈大時， Kp 也愈大，比例期補(bǔ)償更大。過大的比例增益會導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定乃至崩潰。 Ki:積 分， Ki 越大時，穩(wěn)態(tài)偏差會更迅速地被消除。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前，在瞬態(tài)響應(yīng)期間組合的任何誤差必須分開。 Kd：微分。 Kd 越大時，越容易超調(diào)，但是不同擾動區(qū)域的信號噪音的瞬態(tài)響應(yīng)可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 13 如果 PID 控制器參數(shù)選擇的不正確，控制過程輸入可能是不穩(wěn)定的，即：它的輸出有分歧，有或沒有動搖，并且只通過飽和或者機(jī)械破損是有限的?？刂骗h(huán)的協(xié)調(diào)根據(jù)那些期望控制過程的最佳值來調(diào)整它的控制參數(shù)。 最佳控制行為就是過程能根據(jù)應(yīng)用作出相應(yīng)的變化。一些過程不允許在設(shè)定值以外易變的過程超限，如果發(fā)生了，將是不安全 的。其它過程必須在達(dá)到新設(shè)定值過程前把用掉的能量減到最小。通常，過程要求穩(wěn)定，不可因為過程條件和給定值的任何變化而擺動。一些過程有一定的非線性，因此在系統(tǒng)滿負(fù)荷下正常工作的參數(shù)在系統(tǒng)零負(fù)荷下將停止工作。這部分為環(huán)路調(diào)諧描述了一些傳統(tǒng)的手工方法。 PID 環(huán)的調(diào)節(jié)有幾種方法。最有效的方法一般與某種形式的過程模型的發(fā)展有關(guān)，然后選擇的 P,I 和基于動態(tài)模型參數(shù)的 D。手工協(xié)調(diào)方法相對來說可能沒有效率。 方法的選擇基本依賴于控制環(huán)是否可以協(xié)調(diào)，以及系統(tǒng)的響應(yīng)時間。如果系統(tǒng)可被離線工作，最好的協(xié)調(diào)方法經(jīng)常與輸入的階躍變化 系統(tǒng)有關(guān)，輸出值的測量作為一個時間函數(shù)，并用來確定控制參數(shù)。 手工調(diào)節(jié) 如果系統(tǒng)必須保持在線，一種協(xié)調(diào)方法把積分和微分時間常數(shù)置零。增加 P值直到環(huán)的輸出值擺動，然后， P 值應(yīng)該大約被設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)值的四分之一。 然后增加 D 直到過程補(bǔ)償在足夠的時間內(nèi)是正確的。不過， D 值太大將引起不穩(wěn)定。最后，增加 I值，如果需要的話，直到那些環(huán)在負(fù)荷擾動之后可迅速到達(dá)給定值。不過， I 值太大將引起過度的反應(yīng)并且超調(diào)?？焖?PID 環(huán)路調(diào)諧通常越過微小擾動并且能更迅速地達(dá)到給定值；但是，一些系統(tǒng)不能承受超調(diào)，這時，采用超調(diào)閉環(huán)系統(tǒng)是有 必要的，這個要求 P值確定為引起系統(tǒng)擺動的 P值的一半。 Ziegler– Nichols 方法 另一種調(diào)節(jié)方式方法正式被稱為 Ziegler– Nichols 方法 ，由 約翰 和 納撒尼爾 發(fā)明。如同在上面的方法內(nèi)， I 和 D 常數(shù)開始時先被置零。 P 值增加直至達(dá)到 Kc 值，此時閉環(huán)輸出值穩(wěn)定。 Kc 和 Pc用來象顯示的那樣設(shè)定目標(biāo)值： PID 調(diào)節(jié)軟件 現(xiàn)在大多數(shù)的現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備自動控制環(huán)不再使用以上介紹的各種手工計算方法。相應(yīng)地， PID 協(xié)調(diào)和循環(huán)優(yōu)化軟件被用來保證結(jié)果的確定。這些軟件自動收 集數(shù)據(jù)，構(gòu)建過程模型，并且建立最佳的調(diào)節(jié)方式。一些軟件包甚至能根據(jù)參考值的變化規(guī)律來開發(fā)數(shù)據(jù)庫。 數(shù)學(xué) PID 環(huán)路調(diào)節(jié)在系統(tǒng)里引起一個推動，然后根據(jù)被控制的系統(tǒng)的頻率響應(yīng)設(shè)計PID 環(huán)標(biāo)準(zhǔn)值。在有幾分鐘響應(yīng)時間的環(huán)、數(shù)學(xué)環(huán)路調(diào)諧中被推薦，因為反復(fù)試驗要花費數(shù)天，而僅僅是為了找到一套穩(wěn)定的環(huán)價值。 而最佳的控制值更難以發(fā)現(xiàn)。一些數(shù)字環(huán)控制器提供非常小的特征值變化，被送入系統(tǒng)自動控制過程，使控制器本身實現(xiàn)最佳控制。 14 根據(jù)不同的性能準(zhǔn)則環(huán)，還有其他公式對系統(tǒng)是可提供的。 PID 算法的修改 基于 PID 算法給 PID 控制應(yīng)用提出了一些挑戰(zhàn)。關(guān)于理想 PID 實施的一個普遍問題不可缺少的終了。這可以被處理通過： 初始化控制器對期望值不可缺少。 整定函數(shù)，知道 PV 已經(jīng)進(jìn)入可控制的區(qū)域。 限制不可缺少的偏差被計算的時間段。 避免不可缺少的時間段高于或低于預(yù)設(shè)值。 許多 PID 循環(huán)控制一個機(jī)械設(shè)備（如一個閥門）。機(jī)械維護(hù)可能是主要的費用，并在對輸入信號的機(jī)械反應(yīng)里以某些形式抑制擾動。機(jī)械的比率主要是一個設(shè)備變動一次的函數(shù)。 PID 能產(chǎn)生一輸出值，減小系統(tǒng)輸出的頻率。如果變化緩慢，修改控制器使其輸出穩(wěn)定是可以的。實際輸出值改變之前 ，被計算的輸出值必須保持穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)偏差值增加時，比例、微分控制能產(chǎn)生積極的變動，例如設(shè)定值的變動。就微分而言，取決于對錯誤的積分。 控制的限制 當(dāng) PID 控制器適用于很多控制問題時，它在一些應(yīng)用過程中不好使用。當(dāng)單獨使用并且必須降低 PID 環(huán)路增益時， PID 控制器會給出劣質(zhì)的控制性能。因此，控制系統(tǒng)不超調(diào)。在給定值附近擺動。控制系統(tǒng)可以通過結(jié)合 PID 控制器與前饋控制來進(jìn)行改進(jìn)。關(guān)于系統(tǒng)的知識，可以用前饋和 PID 輸出來改進(jìn)總的系統(tǒng)性能。單獨的前饋控制經(jīng)常能提供主要控制器輸出值的部分。 PID 控制器還能對 在 SP 和 PV 的實際值之間的偏差作出反應(yīng)。因為前饋生產(chǎn)沒被過程反饋影響，它永遠(yuǎn)不能引起控制系統(tǒng)擺動，且有助于改進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 例如，在大多數(shù)運動控制系統(tǒng)中，為了在控制一機(jī)械負(fù)荷，需要更多的來自電動機(jī)、發(fā)動機(jī)或作動器的力量或者力矩。如果一速度 PID 控制器被用來控制負(fù)荷的速度，并驅(qū)動被原動力使用的力或者力矩，它有利于賦予負(fù)荷所需的加速度，恰當(dāng)估價并且給 PID速度環(huán)控制器的輸出添加給定值。這表明每當(dāng)負(fù)荷被加速或者被降速時，成比例的力量從那些原動力產(chǎn)生而不受反饋值影響任何導(dǎo)致輸出增加或減少的因素，為了降低給定值與反 饋值的差值。同時工作時，結(jié)合的開環(huán)前饋控制器和封閉環(huán) PID 控制器能提供一個更敏感、可靠的控制系統(tǒng)。 面臨 PID 控制器的另一個問題是他們是在線的。 因此，在非線性系統(tǒng) (象 空調(diào)系統(tǒng)那樣 )內(nèi)的 PID 控制器的工作是易變的。經(jīng)常 PID 控制器通過各種方法獲得 PID 值 或者模糊邏輯 來進(jìn)一步提高。 更進(jìn)一步的實際應(yīng)用問題起因于連接控制器的檢測儀表。保證足夠高的取樣率，測量精密和測量準(zhǔn)確度以使控制器取得足夠的控制性能。 一個關(guān)于微分方面的問題是少量測量或者過程 噪音 能引起輸出的 大量改變。 為了除去高頻率的噪音組成部分，用 低通濾波器 過濾測量數(shù)據(jù)是經(jīng)常有幫助的。 不過，低 15 通濾波器和微分控制能互相消除，那么以檢測儀表方法降低噪音是更好的選擇。 或者，這些不同的因素可以被很多系統(tǒng)避免。這相當(dāng)于使用 PID 控制器作為一個 PI控制器。 6. 串級控制 PID 控制器的一個特別的優(yōu)勢是兩個 PID 控制器可以一同被使用以產(chǎn)生更好的動態(tài)特性。 這被稱作串聯(lián) PID 控制。 在串級控制，有二個 PID 控制器控制另一個參數(shù)值。 一個 PID 控制器擔(dān)任外環(huán)控制器，例如易流動物體或者速度控制主要物質(zhì)參數(shù)。 另一控制器擔(dān)任內(nèi)環(huán)控制器，讀取外環(huán)控制器的輸出， 通?？刂埔桓淖兏杆俚膮?shù)。數(shù)學(xué)上可以證明，通過使用串聯(lián)的 PID 控制器，控制器的工作頻率被增加，目標(biāo)的時間常數(shù)被降低。 7. PID 控制的物理實現(xiàn) 在早期自動化過程控制的的歷史上， PID 控制器被用作一個機(jī)械設(shè)備實現(xiàn)。這些機(jī)械控制器經(jīng)常使用一根 杠桿 , 曲軸 和活塞由壓縮空氣提供能量。這些氣動控制器曾經(jīng)是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。電子 模擬 控制器可以一固態(tài)或者成管狀 放大器 構(gòu)成，例如一個 電容器 和一個 電感 。 電子模擬 PID 控制環(huán)經(jīng)常在更復(fù)雜的電子系統(tǒng)內(nèi)被發(fā)現(xiàn)，例如，頭一個 磁盤驅(qū)動器 位置的確定，動力 電源 的限制或者甚至一臺現(xiàn)代 地震儀 的運動?，F(xiàn)在，用microcontrollers 或者 FPGAs 實現(xiàn)的數(shù)字控制器已經(jīng)基本上替換電子控制器。 大多數(shù)現(xiàn)代 PID 工業(yè)控制器被 可編程序邏輯控制器 里的 軟件 實現(xiàn)或者作為數(shù)字控制器。軟件實現(xiàn)有優(yōu)勢，即他們相對便宜，并且關(guān)于 PID 算法的實施是靈活的。