PID控制简述及发展

第61卷第10期2014年10月机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.01No.20082014DOI：10.3901/JME.2014.10.008PID控制简述及发展1(1.机械工程学院)摘要：PID控制是自动控制中出现最早、应用最广的一种控制方法。过程控制系统广泛采用PID控制，它们的性能直接关系到生产过程的平稳运行与产品的最终质量，因而其优化设计具有重要的价值。现代智能PID控制是将自适应控制、最优控制、预测控制、鲁棒控制和智能控制策略引入到传统PID控制中的一种新型PID控制。本文回顾了PID控制器的发展历程，介绍了基于模糊控制、专家系统、遗传算法和神经网的智能PID控制器的研究现状并对PID控制今后的发展进行了展望。关键词：PID控制；智能PID中图分类号：TG156ABriefIntroductionandDevelopmentofPIDControlLIXin1(1.CollegeofMechanicalEngineering,YanShanUniversity,Qinhuangdao066000)Abstract：PIDcontrolistheearliest,themostwidelyusedinautomaticcontrolofakindofcontrolmethod.ProcesscontrolsystemwidelyadoptedPIDcontrol,theirperformanceisdirectlyrelatedtothesmoothrunningoftheproductionprocessandthefinalqualityofproducts,anditsoptimizationdesignisofgreatvalue.ModernintelligentPIDcontrolistheadaptivecontrol,optimalcontrol,predictivecontrol,robustcontrolandintelligentcontrolstrategyisintroducedintothetraditionalPIDcontrol,anewtypeofPIDcontrol.ThisarticlereviewsthedevelopmentcourseofPIDcontroller，presentssomeintelligentPIDcontrollerbasedonFuzzy-control,Expert-system,Genetic-algorithmandNeural-network,thenprospectedthefuturedevelopmentofintelligentPIDcontroller.Keywords：PIDcontrol;IntelligentPID0前言*1PID调节器及其改进型是在工业控制中最常见的控制器。PID控制中一个关键的问题便是PID对参数的整定，使PID控制系统达到所期望的控制性能。但是在实际的应用中，许多被控过程机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点，特别是在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化。DESBOROUGH和Mn.T.RR在2002年的一国家自然科学基金资助项目(11202128)收到初稿，20140912收到修改稿次统计报告中指出，目前在美国有超11600个具有PID控制器结构的调节器广泛应用于工业控制领域中，有超过97%的反馈回路采用了PID控制算法[1]，甚至在一些复杂的控制律中，其基本控制层采用的仍然是控制算法。然而，只有近1/3的PID控制器在实际应用程中取得了令人满意的控制效果，有2/3的PID控制系统的控制性能达不到用户所期望的要求。这给控制理论研究和应用带来了前所来有的机遇和桃战。智能控制是控制理论、人工智能、信息论和运筹学等多方而综合而成的交叉学科[2]，主要用于处理两大类问题：难以用数学模型进行准确描述的大规模和复杂非线性系统，需要引入人为因素才能进机械工程学报第49卷第6期期90行有效控制;控制目标通常需要分解成多个子任务的系统。智能PID控制器吸收了智能控制与常规PID控制两者的优点[3]。首先，它具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数，能够适应被控过程参数的变化;其次，它又具有常规PID控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。正是这两大优势，使得智能PID控制成为众多过程控制中一种较理想的控制装置。因此，人们开始较多地关注比较流行的几种智能PID控制器，考察它们的构成形式、各自特点和未来发展趋势。1PID控制的发展在工业过程控制中，PID控制是历史最悠久，生命力最强的控制方式。它是迄今为止最通用的控制方法。大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制[1]。我们今天所熟知的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。据日本电气计测器工业会先进控制动向调查委员会1990年统计，在日本有91%的控制回路采用的是PID调节器控制。在美国，据控制工程杂志(ControlEngineering)编辑K.J.Kkompass估计，有90%以上的工业控制器采用的是PID调节器。而在我们国家现在PID调节器的应用就更加普遍。虽然随着控制理论的发展和控制手段的更新，许多基于现代控制理论的新型控制器不断出现，但PID控制仍是最重要的控制方式。据估计：我们国家过程工业中需要约50万个PID参数自整定控制器。PID调节器的特点是原理简单，适应性强，鲁棒性强，最突出的特点在于它不依赖对象的精确模型，可以解决工业过程精确建模的困难。而且其应用时期较长，控制工程师们己经积累了大量的PID控制器参数的调节经验。PID调节器的发展经历了液动式、气动式、电动式几个阶段，目前正由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展;这些数字化、智能化的控制器有着传统的模拟控制器所无法比拟的优点，如：可以灵活的改变控制参数，可以灵活的改变控制策略等。但是随着工业装置越建越大，控制回路越来越多，操作越来越复杂，使得PID调节器的参数往往难以整定到理想状态，影响回路控制的效果，对产品质量、原料消耗、能耗等都会带来不利的影响，更严重的会影响到生产装置的安全操作。所以现在对PID的参数整定方法在实际生产中的应用成为研究的热点。尤其是针对不稳定的、积分对象的PID自整定。随着工业的发展，对象的复杂程度不断加深，尤其对于大滞后、时变的、非线性的复杂系统:其中有的参数未知或缓慢变化;有的带有延时或随机干扰;有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。加之，人们对控制品质的要求日益提高，常规PID控制的缺陷逐渐暴露出来。对于时变对象和非线性系统，传统的PID控制更是显得无能为力。因此常规PID控制的应用受到很大限制和挑战。人们在对PID应用的同时，也对其进行了各种改进。主要体现在两个方面:一是对常规PID本身结构的改进，即变结构PID控制。另一方面，模糊控制、神经网络控制和专家控制是目前智能控制中最为活跃的领域，它与常规PID控制相结合，扬长避短，发挥各自的优势，形成所谓智能PID控制。这种新型控制器己引起人们的普遍关注和极大的兴趣，并已得到较为广泛的应用。它具有不依赖系统精确数学模型的特点，对系统参数变化具有较好的鲁棒性。主要方法有:基于规则的智能PID自学习控制算法、加辨识信号的智能自整定PID控制算法、专家式智月2014年10月PID控制简述及发展91能自整定PID控制算法、模糊PID控制算法、基于神经网络的PID控制算法、自适应PID预测智能控制算法和单神经元自适应PID智能控制等多种控制算法[4]。2经典PID控制经典PID控制系统原理如图2.1[4]图2.1经典PID控制原理图经典PID控制器是一种线性控制器，其调节原理为:根据给定值与实际输出值构成控制偏差e(t),将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(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。其控制规律为:式中：Kp为比系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。PID控制的控制效果的好坏在很大程度上取决于系统的参数的整定，即控制器参数的选择，那么控制器的三个参数究竟对控制效果起什么样的作用。简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下:1)比例环节比例环节能及时成比例地反映控制系统地偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例系数K;增大，可以加快系统响应速度，减小系数稳态误差，提高控制精度。但是过大会产生较大超调，甚至导致不稳定;若取得过小，能使系统减少超调量，稳态裕度增大，但会降低了系统的调节精度，使过渡过程时间延长。根据系统控制过程中各个不同阶段对过渡过程的要求以及操作量的经验，通常在控制的初始阶段，适当地把K，放在较小的档次，以减小各物理量初始变化的冲击;在控制过程中期，适当加大KP，以提高快速性和动态精度，而到过渡过程的后期，为了避免产生大的超调和提高静态精度稳定性，又将K，调小。2)积分环节积分调节可提高系统的抗干扰能力，主要用于消除静差，提高系统的无静差度，适用于有自平衡性的系统。但它存在滞后现象，使系统的响应速度变慢，超调量变大，并可能产生振荡。积分作用的强弱取决于积分时间常数T;,T;越大，积分作用越小，反之则越强。加大积分系数T有利于减小系统静差，但过强的积分作用会使超调加剧，甚至引起振荡;减小积分系数T;虽然有利于系统稳定，避免振荡，减小超调量，但又对系统消除静差不利。通常在调节过程的初期阶段，为防止由于某些因素引起的饱和非线性等影响而造成积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调量，积分作用应弱些而取较小的;在响应过程的中期，为避免对动态稳定性造成影响，积分作用应适中;在过程后期，应以较大的T;值以减小系统静差，提高调节精度。3)微分环节微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间，从而改善了系统的动态特性。缺点是抗干扰能力差。Td的值对响应过程影响非常大。若增加微分作用，有利于加快系统响应，使超调量减小，增加稳定性，但也会带来扰动敏感，抑制外干扰能力减弱，若Ta过大则会使响应过程过分提前制动从而延长调节时间;反之，若Td过小，调节过程的减速就会滞后，超调量增加，系统响应变慢，稳定性变差。因此，对于时变不确定系统，Td不应取定值，应适应被控对象时间常数而随机改变。机械工程学报第49卷第6期期923智能PID控制智能控制是控制理论、人工智能、信息论和运筹学等多方而综合而成的交叉学科[2]，主要用于处理两大类问题：①.难以用数学模型进行准确描述的大规模和复杂非线性系统，需要引入人为因素才能进行有效控制;②.控制目标通常需要分解成多个子任务的系统。智能PID控制器吸收了智能控制与常规PID控制两者的优点。首先，它具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数，能够适应被控过程参数的变化;其次，它又具有常规PID控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。正是这两大优势，使得智能PID控制成为众多过程控制中一种较理想的控制装置。因此，人们开始较多地关注比较流行的几种智能PID控制器，考察它们的构成形式、各自特点和未来发展趋势。3.1模糊PID控制器在工业控制过程中经常会碰到大滞后、时变的、非线性的复杂系统，其中有的参数未知或缓慢变化;有的带有延时和随机干扰;有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。对上述这些系统，如果使用常规的PID控制器，则较难整定PID参数，因而比较难达到预期效果。在复杂控制系统和高精度伺服系统中，采用Fuzz