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常见的PID控制原理

时间:2010-08-30 15:40:45

当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部门: 丈量、比较和执行。丈量关心的变量,与期望值比拟较,用这个误差纠正调节控制系统的响应。
  这个理论和应用自动控制的枢纽是,做出准确的丈量和比较后,如何才能更好地纠正系统。

  PID(比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史,现在仍旧是应用最广泛的产业控制器。PID控制器简朴易懂,使用中不需精确的系统模型等先决前提,因而成为应用最为广泛的控制器。

  PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。
 

  比例(P)调节作用:是按比例反应系统的偏差,系同一旦泛起了偏差,比例调节立刻产生调节作用用以减少 偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的不乱性下降,甚至造成系统的 不不乱。
 

  积分(I)调节作用:是使系统消除稳态误差,进步无差度。由于有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节休止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统不乱性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
 

  微分(D)调节作用:微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态机能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。
 

其输入e (t)与输出u (t)的关系为:后补
 

,使用中只需设定三个参数(Kp, Ki和Kd)即可。在良多情况下,并不一定需要全部三个单元,可以取其中的一到两个单元,但比例控制单元是必不可少的。

  首先,PID应用范围广。固然良多产业过程长短线性或时变的,但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统,这样PID就可控制了。
 

  其次,PID参数较易整定。也就是,PID参数Kp,Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。假如过程的动态特性变化,例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化,PID参数就可以重新整定。
 

  第三,PID控制器在实践中也不断的得到改进,下面两个改进的例子。
 

  在工厂,老是能看到很多回路都处于手动状态,原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。因为这些不足,采用PID的产业控制系统老是受产品质量、安全、产量和能源铺张等题目的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个题目而产生的。现在,自动整定或自身整定的PID控制器已是贸易单回路控制器和分散控制系统的一个尺度。
 

  在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好,但它们仍存在一些题目需要解决:

  假如自整定要以模型为基础,为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时,要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动,所以基于模型的PID参数自整定在产业应用不是太好。
 

  假如自整定是基于控制律的,常常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来,因此受到干扰的影响控制器会产生超调,产生一个不必要的自适应转换。另外,因为基于控制律的系统没有成熟的不乱性分析方法,参数整定可靠与否存在良多题目。
 

  因此,很多自身整定参数的PID控制器常常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简朴过程模型自动计算PID参数。
 

  但仍不可否认PID也有其固有的缺点:
 

  PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时,工作地不是太好。最重要的是,假如PID控制器不能控制复杂过程,不管怎么调参数都没用。固然有这些缺点,PID控制器是最简朴的有时却是最好的控制器。

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