内容发布更新时间 : 2024/12/27 0:31:14星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
中国矿业大学徐海学院2012届本科生毕业设计（论文）
2 PID控制
2.1 PID控制的特点和原理
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制，实际中有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制的。
比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。所以，比例加上积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。主要原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近于零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例加上微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例加上微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中
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的动态特性。
PID控制的最大优点就是控制机理完全独立于对象的数学模型，只用控制目标与被控对象实际行为之间误差来产生消除此误差的控制策略，这也是PID控制技术的精髓。正是这样，它才能在控制工程实验中得到广泛有效的应用。而随着科技的进步和对控制品质要求的提高，经典PID控制技术的缺陷越来越凸现出来。PID的缺陷，总体来说就是信号处理太简单、未能充分发挥其优点，具体说来，有四个方面： (1)产生误差的方式不太合理控制目标A在过程中可以“跳变”，但是被 控对象输出B的变化都有惯性，不可能跳变，要求让缓变的变量b来 跟踪能够跳变的变量a，初始误差很大，容易引起超调，很不合理。 (2)误差的微分信号的产生没有太好的办法 由于微分器物理不可实现，只能近似实现。 (3)误差积分反馈的引入有很多负作用
在PID控制中，误差积分反馈的作用是消除静差，提高系统响应的准 确性，但同时误差积分反馈的引入，使闭环变得很迟钝，容易产生振 荡，易产生由积分饱和引起的控制量饱和。
(4)线性组合不一定是最好的组合方式 PID控制器给出的控制量是误差的现在、过去、将来三者的线性组 合。大量工程实践表明，线性组合不一定是最好的组合方式，能否
在非线性领域找到更加合适的组合方式是值得去探索的。 对于PID存在的这些缺陷，相应的解决办法是： (1)安排合适的“过渡过程”；
(2)合理提取“微分\“跟踪微分器\；
(3)探讨“扰动估计\办法-“扩张状态观测器\； (4)探讨合适的组合方法-“非线性组合”；
2.2 PID控制器
PID控制的本质是一个二阶线性控制器。
定义：通过调整比例、积分和微分三项参数，使得大多数的工业控制系统获得良好的闭环控制性能。
优点：
1. 技术成熟
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2. 易被人们熟悉和掌握
3. 不需要建立数学模型 4. 控制效果好 5. 鲁棒性
PID控制器是一种线性的控制器，它根据给定值r(t)和实际输出值c(t)构成控制偏差：
e(t)=r(t)-c(t) (2-1) 将偏差的比例（P）、积分（I）、微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其输入e(t)与输出u(t)的关系为
t?1de?t??u?t??Kp?e?t??e?t?dt?Td? （2-2） ?dt??Ti0??式中
u(t)——控制器(也称调节器)的输出；
e(t)——控制器的输入（常常是设定值与被控量之差； Kp——控制器的比例放大系数； Ti ——控制器的积分时间； Td——控制器的微分时间。
PID参数对系统性能的影响 P I 作用 加快调节，减少稳态误差。 缺点 稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 因为有误差，积分调加入积分调节可使节就进行，直至无差.消系统稳定性下降，动态响除稳态误差，提高无差应变慢。积分作用常与另度。 两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。 反映系统偏差信号微分作用对噪声干变化率，具有预见性，能扰有放大作用，因此过强预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。可以减少超调，减少调节时间。 的加微分调节，对系统抗干扰不利。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规蓄料目结合，组成PD或PID控制。 8
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PID参数的调整原则：PID参数的预置是相辅相成的，运行现场应该根据实际的情况进行下列微调，被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间I，如果还是有振荡，可适当减小比例增益P。被控物理量在发生变化后很难恢复，首先加大比例增益P，如果恢复较慢，可以适当的减小积分时间I，还可以加大微分时间D。
影响 稳态性能 动态性能 可以减少静消除静差，但不能配合比例控差，但不能消除 太大 制，可以减少静差 加快系统速太小会不稳定，太太大和太小都会度，但会引起震荡 大会影响性能 引起超调量大，过度时间长 Kp Ti Td PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。
2.3 PID控制的自整定
PID控制器自整定技术是近2O年来受到工业控制界和学术理论界广泛关注并取得显著成果的先进控制策略，并早在8O年代中期就开发研制了相应的自整定控制器 。近年来，国际自动控制领域对PID控制器参扰、提高鲁棒性、加快算法的收敛速度等方向发展 。K．J．Astrom、C.C．Hang、Qingguo Wang、Z．J．Palmor、S．H．Shen等自整定专家不断在几大国际杂志上发表新的研究成果，显示了PID 自整定技术强大的理论生命力 。随着计算机技术的发展和自整定技术的成熟，El前有关自动整定控制器的商业化产品已大量涌现，其中比较著名的如Foxboro公司的ExACT 系列、First Control的M R0CONTROLLER系列、Leed ＆ Northrop 的Electromax V 系列、SattControl的ECA40系 、Honeywell公司的RPID、ControlSoft公司
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INTUNE 等 。而Fisher Control、Yokogawa、Eurotherra等公司纷纷在各自的工业控制器系列中也结合了不同的PID参数自动整定算法。
另外也发展了一批专用的PID整定设备可以外接到工业控制回路上。如日本Toyo Systems的Supertuner，美国Techmadon 的Protuner，Powell-Process Instruments的Micon P-200 Controller等，其中一些产品已在工业应用中得到认可。
从目前PID参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点：
①对于单入单出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的PID参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。
②对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显著耦合的多变量过程的多变量PID参数整定方法，进一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所需先验信息量，使其易于在线整定。
③智能PID控制技术有待进一步研究，将自适应、自整定和增益计划设定有机结合，使其具有自动诊断功能；结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进；将预测控制、模糊控制和PID控制相结合，进一步提高控制系统性能，都是智能PID控制发展的极有前途的方向。
PID控制参数的整定方法
在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、测量变送器和执行器这三部分的特性就完全确定了，不能任意改变。只能通过控制器参数的工程整定，来调整控制系统的稳定性和控制质量。
PID控制参数的整定方法---概念
确定调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间TD。
整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改变系统的动态和静态指标，争取最佳控制效果。
最佳整定参数，在某种评价指标下，系统达到最佳控制状态时，调节器的调节规律所对应的一组参数值。
PID控制参数的整定方法---分类
理论计算整定方法：对数频率特性法、根轨迹法。这种方法需要知道数学模型。
工程整定法：经验法、衰减曲线法、临界比例度法、响应曲线法。这种方法不需要事先知道过程的数学模型，可直接在系统中进行现场整定，比较
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