自动控制学习笔记(PID控制原理)

PID控制原理PID算法是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性（系统抵御各种扰动因素——包括系统内部结构、参数的不确定性，系统外部的各种干扰等的能力）好及可靠性高而被广泛地应用于过程控制和运动控制中。尤其是随着计算机技术的发展，数字PID控制被广泛地加以应用，不同的PID控制算法其控制效果也各有不同。将偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。模拟PID控制原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规的模拟PID控制系统原理框图如图所示。+r(t)+e(t)+u(t)y(t)-+模拟PID控制系统原理图该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图中，r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)(te)=r(t)−y(t)（式1－1）e(t)作为PID控制的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟PID控制器的控制规律为u(t)=Kp[e(t)+dt+Td]（式1－2）其中：Kp――控制器的比例系数Ti－－控制器的积分时间，也称积分系数Td――控制器的微分时间，也称微分系数1、比例部分比例部分的数学式表示是：Kp*e(t)在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数Kp，比例系数Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数Kp选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。比例积分微分被控对象2、积分部分积分部分的数学式表示是：从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就不断的增加；只有在偏差e(t)=0时，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。可见，积分部分可以消除系统的偏差。积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数Ti越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡；但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当Ti较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定Ti。3、微分部分微分部分的数学式表示是：Kp*Td实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应（比例环节的作用），而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在PI控制器的基础上加入微分环节，形成PID控制器。微分环节的作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。微分部分的作用由微分时间常数Td决定。Td越大时，则它抑制偏差e(t)变化的作用越强；Td越小时，则它反抗偏差e(t)变化的作用越弱。微分部分显然对系统稳定有很大的作用。适当地选择微分常数Td，可以使微分作用达到最优。数字式PID控制算法可以分为位置式PID和增量式PID控制算法。1.位置式PID算法由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量量，进行连续控制。由于这一特点（式1－2）中的积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化处理的方法为：以T作为采样周期，作为采样序号，则离散采样时间对应着连续时间，用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，可作如下近似变换：t=kT(k=0，1，2······)上式中，为了表示的方便，将类似于e(kT)简化成ek等。将上式代入（式1－2），就可以得到离散的PID表达式为（式2－2）或（式2－3）其中k――采样序号，k＝0，1，2，……；――第k次采样时刻的计算机输出值；――第k次采样时刻输入的偏差值；――第k－1次采样时刻输入的偏差值；――积分系数，；――微分系数，；如果采样周期足够小，则（式2－2）或（式2－3）的近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制过程与连续过程十分接近。（式2－2）或（式2－3）表示的控制算法式直接按（式1－2）所给出的PID控制规律定义进行计算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式PID控制算法。这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对进行累加，工作量大；并且，因为计算机输出的对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故，这在实生产际中是不允许的。2.增量式PID算法所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID控制算法进行控制。增量式PID控制算法可以通过（式2－2）推导出。由（式2－2）可以得到控制器的第k－1个采样时刻的输出值为：（式2－4）开始数据初始化采集系统输出计算系统偏差e(k)KP=kp×[e(k)-e(k-1)]KI=ki×e(k)KD=kd×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]u(k)=KP+KI+KDu(k)=u(k-1)+u(k)u(k-1)=u(k)u(k)=umax?u(k)=umin?u(k)=umaxu(k)=uminYYNN返回将（式2－2）与（式2－4）相减并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式为：（式2－5）增量式PID控制算法与位置式PID算法（式2－2）相比，计算量小的多，因此在实际中得到广泛的应用。而位置式PID控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式：（式2－6）（式2－6）就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推PID控制算法。在MCGS工控组态软件（是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。）中对应的脚本程序如下：偏差2=偏差1'上上次偏差偏差1=偏差'上次偏差偏差=设定值－测量值'本次偏差比例=比例系数*(偏差－偏差1)'比例作用if积分时间=0then'积分作用积分=0else积分=比例系数*采样周期*偏差/积分时间endif微分=比例系数*微分时间*(偏差－2*偏差1+偏差2)/采样周期'微分作用增量=比例+积分+微分'增量输出位置=前次位置+增量'位置输出if位置=位置最大值then位置=位置最大值'超出位置最大值，位置＝位置最大值if位置=位置最小值then位置=位置最小值'超出位置最小值，位置＝位置最小值前次位置=位置'为下循环准备3.带死区的PID控制（SPID）算法在控制系统中为了避免控制动作过于频繁，设置一个可调的参数e0，当系统偏差时，控制量的增量，即此时控制系统维持原来的控制量；当系统偏差时，控制量的增量依据增量式标准PID算法给出。在MCGS工控组态软件中对应的脚本程序如下：偏差2=偏差1'上上次偏差偏差1=偏差'上次偏差偏差=设定值-测量值'本次偏差if偏差-0.5and偏差0.5then'偏差小于阈值增量=0'增量为零else比例=比例系数*(偏差-偏差1)'否则计算比例作用if积分时间=0then积分=0'如果积分时间=0，则无积分作用else积分=比例系数*采样周期*偏差/积分时间'否则计算积分作用endif0)(eke0)(ku0)(eke)(ku微分=比例系数*微分时间*(偏差-2*偏差1+偏差2)/采样周期'计算微分作用增量=比例+积分+微分'增量输出endif位置=前次位置+增量'位置输出if位置=位置最大值then位置=位置最大值'超出位置最大值，位置＝位置最大值if位置=位置最小值then位置=位置最小值'超出位置最小值，位置＝位置最小值前次位置=位置'为下循环准备4.积分分离PID控制（IPID）算法积分分离PID算法是人为地设定一个阈值，当系统偏差时，即系统的偏差较大时，只采用PD控制，这样可以避免较大的超调，又使系统有较好的快速性；当时，即系统的偏差较小时，加入积分作用，采用PID控制，可保证系统有较高的精度。在MCGS工控组态软件中对应的脚本程序如下：偏差2=偏差1'上上次偏差偏差1=偏差'上次偏差偏差=设定值-测量值'本次偏差比例=比例系数*(偏差-偏差1)'比例作用if积分时间=0or偏差1or偏差-1then'如果积分时间=0或偏差太大积分=0'无积分作用else积分=比例系数*采样周期*偏差/积分时间'否则计算积分作用endif微分=比例系数*微分时间*(偏差-2*偏差1+偏差2)/采样周期'微分作用增量=比例+积分+微分'增量输出位置=前次位置+增量'位置输出if位置=位置最大值then位置=位置最大值'超出位置最大值，位置＝位置最大值if位置=位置最小值then位置=位置最小值'超出位置最小值，位置＝位置最小值前次位置=位置'为下循环准备5.不完全微分PID控制（DPID）算法不完全微分PID控制算法时为了避免误差扰动突变时微分作用的不足。其方法是在PID算法中加入一个一阶惯性环节（低通滤波器），即构成不完全微分PID控制算法，在此基础上进行离散化后可得出其递推公式。在MCGS工控组态软件中对应的脚本程序如下：偏差2=偏差1'上上次偏差偏差1=偏差'上次偏差偏差=设定值-测量值'本次偏差比例=比例系数*(偏差-偏差1)'比例作用if积分时间=0then'如果积分时间=0无积分作用积分=0else积分=比例系数*采样周期*偏差/积分时间'否则计算积分作用endifif微分时间=0then'如果微分时间=0无微分作用微分=0)(ke)(kesTsGff11)(else不全微分2=不全微分1不全微分1=不全微分微分增益=比例系数*微分时间/采样周期不全微分系数=微分时间/(微分增益+微分时间)不全微分=不全微分系数*不全微分1+比例系数*(偏差-偏差1)/(采样周期+微分时间/微分增益)微分=比例系数*微分时间*(偏差-2*偏差1+偏差2)/(采样周期+微分时间/微分增益)+比例系数*不全微分系数*(不全微分1-不全微分2)'否则计算微分作用endif增量=比例+积分+微分'增量输出位置=前次位置+增量'位置输出if位置=位置最大值then位置=位置最大值'超出位置最大值，位置＝位置最大值if位置=位置最小值then位置=位置最小值'超出位置最小值，位置＝位置最小值前次位置=位置'为下循环准备控制器参数整定控制器参数整定：指决定调节器的比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td和采样周期Ts的具体数值。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，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。整定调节器参数的方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法有对数频率特性法和根轨迹法等；工程整定法有凑试法、临界比例法、经验法、衰减曲线法和响应曲线法等。工程整定法特点不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握。凑试法按照先比例（P）、再积分（I）、最后微分（D）的顺序。置调节器积分时间Ti=∞，微分时间Td