過(guò)程控制中的PID控制技術(shù)

隨著(zhù)電子、計算機、通訊、故障診斷、冗余校驗和圖形顯示等技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化水平也日益提高。但在生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)品的質(zhì)量受多因素的干擾而使自動(dòng)化水平的優(yōu)點(diǎn)遜色。PID控制理論從此應運而生。

自動(dòng)控制系統可分為開(kāi)環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統。一個(gè)控制系統包括控制器、傳感器、變送器、執行機構、輸入輸出接口利用PID控制實(shí)現的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現PID控制功能的可編程控制器(PLC），還有可實(shí)現PID控制的PC系統等等。

PID控制

在工程實(shí)際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調節。它以其結構簡(jiǎn)單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。

當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統控制器的結構和參數必須依靠經(jīng)驗和現場(chǎng)調試來(lái)確定，這時(shí)應用PID控制技術(shù)最為方便。

PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的.最為理想的控制當屬比例-積分-微分控制規律，它集三者之長(cháng)：既有比例作用的及時(shí)迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。

模擬PID控制系統原理框圖

PID控制的環(huán)節

1、比例（P）控制

比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時(shí)系統輸出存在穩態(tài)誤差。調節器的輸出信號與偏差信號成正比，也就是說(shuō)，只要有偏差存在，控制器的輸出就會(huì )立刻與偏差成正比地變化，因此P 調節響應速度很快。

P 調節可以及時(shí)反映出系統當的變化，但卻不能徹底地消除系統存在的偏差，因此，如果在實(shí)際控制過(guò)程中只采用 P 調節，就會(huì )使系統產(chǎn)生殘差，K p 增大可以使系統偏差隨之減少，實(shí)際上，如果 K -D過(guò)大將會(huì )導致系統不穩定。

2、積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統，如果在進(jìn)入穩態(tài)后存在穩態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統是有穩態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統。

為了消除穩態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著(zhù)時(shí)間的增加，積分項會(huì )增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到接近于零。

因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統在進(jìn)入穩態(tài)后幾乎無(wú)穩態(tài)誤差。積分時(shí)間的大小決定了積分作用的強弱，積分時(shí)間越大，積分作用越弱，引起系統超調量的加大；積分作用越強，反而易引起系統振蕩。

3、微分（D）控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統在克服誤差的調節過(guò)程中可能會(huì )出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。

解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。

所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統在調節過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。D 調節的主要作用是減小超調量，控制被控對象輸出的振蕩，縮短系統的響應時(shí)間，由此提高系統的動(dòng)態(tài)特性。但過(guò)大的 T D 將會(huì )降低對干擾信號的抑制能力。

4、PID控制

最為理想的控制當屬比例-積分-微分控制規律，它集三者之長(cháng)：既有比例作用的及時(shí)迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。

當偏差節約出現時(shí)，微分能立即大幅度動(dòng)作，抑制偏差的這種躍變：比例同時(shí)起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規律，因此可使系統比較穩定：而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個(gè)作用的控制參數選擇得當，便可充分發(fā)揮三種控制規律的優(yōu)點(diǎn)，得到較為理想的控制效果。

故而只要能將三種作用合理的搭配，就能取得快速準確而平穩的調節性能，獲得優(yōu)良的控制效果，這也就是 PID調節的魅力所在。

5、參數整定

PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。

PID控制器參數整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗，直接在控制系統的試驗中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。

PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線(xiàn)法和衰減法。兩種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實(shí)際運行中進(jìn)行最后調整與完善。一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數的整定步驟如下：

⑴首先預選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統工作；

⑵僅加入比例控制環(huán)節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數和臨界振蕩周期；

⑶在一定的控制度下通過(guò)公式計算得到PID控制器的參數。

在實(shí)際調試中，只能先大致設定一個(gè)經(jīng)驗值，然后根據調節效果修改。

對于溫度系統：P（%）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5--3

對于流量系統：P（%）40--100，I（分）0.1--1

對于壓力系統：P（%）30--70，I（分）0.4--3

對于液位系統：P（%）20--80，I（分）1—5

聽(tīng)上去是不是有些不好理解呢？我們請小明來(lái)跟我們解釋解釋吧

小明接到這樣一個(gè)任務(wù)：有一個(gè)水缸漏水，且漏水的速度是不定的，但要求水面高度維持在某個(gè)位置，一旦發(fā)現水面高度低于要求位置，就要往水缸里加水。

開(kāi)始小明用瓢加水，水龍頭離水缸有十幾米的距離，經(jīng)常要跑好幾趟才加夠水，于是小明又改為用桶加，一加就是一桶，跑的次數少了，加水的速度也快了，但好幾次將缸給加溢出了，不小心弄濕了幾次鞋，小明又動(dòng)腦筋，我不用瓢也不用桶，老子用盆，幾次下來(lái)，發(fā)現剛剛好，不用跑太多次，也不會(huì )讓水溢出。這個(gè)檢查時(shí)間就稱(chēng)為采樣周期。

開(kāi)始小明用瓢加水，水龍頭離水缸有十幾米的距離，經(jīng)常要跑好幾趟才加夠水，于是小明又改為用桶加，一加就是一桶，跑的次數少了，加水的速度也快了，但好幾次將缸給加溢出了，不小心弄濕了幾次鞋，小明又動(dòng)腦筋，我不用瓢也不用桶，老子用盆，幾次下來(lái)，發(fā)現剛剛好，不用跑太多次，也不會(huì )讓水溢出。這個(gè)加水工具的大小就稱(chēng)為比例系數。

小明又發(fā)現水雖然不會(huì )加過(guò)量溢出了，有時(shí)會(huì )高過(guò)要求位置比較多，還是有打濕鞋的危險。他又想了個(gè)辦法，在水缸上裝一個(gè)漏斗，每次加水不直接倒進(jìn)水缸，而是倒進(jìn)漏斗讓它慢慢加。這樣溢出的問(wèn)題解決了，但加水的速度又慢了，有時(shí)還趕不上漏水的速度。于是他試著(zhù)變換不同大小口徑的漏斗來(lái)控制加水的速度，最后終于找到了滿(mǎn)意的漏斗。漏斗的時(shí)間就稱(chēng)為積分時(shí)間。

小明終于喘了一口，但任務(wù)的要求突然嚴了，水位控制的及時(shí)性要求大大提高，一旦水位過(guò)低，必須立即將水加到要求位置，而且不能高出太多，否則不給工錢(qián)。小明又為難了！于是他又開(kāi)努腦筋，終于讓它想到一個(gè)辦法，常放一盆備用水在旁邊，一發(fā)現水位低了，不經(jīng)過(guò)漏斗就是一盆水下去，這樣及時(shí)性是保證了，但水位有時(shí)會(huì )高多了。他又在要求水面位置上面一點(diǎn)將水鑿一孔，再接一根管子到下面的備用桶里這樣多出的水會(huì )從上面的孔里漏出來(lái)。這個(gè)水漏出的快慢就稱(chēng)為微分時(shí)間。

故事中小明的試驗是一步步獨立做，但實(shí)際加水工具、漏斗口徑、溢水孔的大小同時(shí)都會(huì )影響加水的速度，水位超調量的大小，做了后面的實(shí)驗后，往往還要修改改前面實(shí)驗的結果。

人以PID控制的方式用水壺往水杯里倒印有刻度的半杯水后停下;

設定值：水杯的半杯刻度；

實(shí)際值：水杯的實(shí)際水量；

輸出值：水壺倒出水量和水杯舀出水量；

測量：人的眼睛（相當于傳感器）

執行對象：人

正執行：倒水

反執行：舀水

1P比例控制，就是人看到水杯里水量沒(méi)有達到水杯的半杯刻度，就按照一定水量從水壺里王水杯里倒水或者水杯的水量多過(guò)刻度，就以一定水量從水杯里舀水出來(lái)，這個(gè)一個(gè)動(dòng)作可能會(huì )造成不到半杯或者多了半杯就停下來(lái)。

說(shuō)明：P比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時(shí)系統輸出存在穩態(tài)誤差（Steady-state error）。

2PI積分控制，就是按照一定水量往水杯里倒，如果發(fā)現杯里的水量沒(méi)有刻度就一直倒，后來(lái)發(fā)現水量超過(guò)了半杯，就從杯里往外面舀水，然后反復不夠就倒水，多了就舀水，直到水量達到刻度。

說(shuō)明：在積分I控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統，如果在進(jìn)入穩態(tài)后存在穩態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統是有穩態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統（System with Steady-state Error）。為了消除穩態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著(zhù)時(shí)間的增加，積分項會(huì )增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統在進(jìn)入穩態(tài)后無(wú)穩態(tài)誤差。

3PID微分控制，就是人的眼睛看著(zhù)杯里水量和刻度的距離，當差距很大的時(shí)候，就用水壺大水量得倒水，當人看到水量快要接近刻度的時(shí)候，就減少水壺的得出水量，慢慢的逼近刻度，直到停留在杯中的刻度。如果最后能精確停在刻度的位置，就是無(wú)靜差控制；如果停在刻度附近，就是有靜差控制。

說(shuō)明：在微分控制D中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。

在工程實(shí)際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調節。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結構簡(jiǎn)單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。

當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統控制器的結構和參數必須依靠經(jīng)驗和現場(chǎng)調試來(lái)確定，這時(shí)應用PID控制技術(shù)最為方便。

PID控制器

PID控制器廣泛應用于工業(yè)過(guò)程控制。工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的大約95％的閉環(huán)操作使用PID控制器?？刂破饕赃@樣一種方式組合，即產(chǎn)生一個(gè)控制信號。作為反饋控制器，它將控制輸出提供到所需的水平。在微處理器發(fā)明之前，模擬電子元件實(shí)現了PID控制。但是今天所有的PID控制器都是由微處理器處理的?？删幊踢壿嬁刂破饕灿袃戎玫腜ID控制器指令。

通過(guò)使用低成本的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)控制器，只有兩種控制狀態(tài)是可能的，例如全開(kāi)或全關(guān)。它用于有限的控制應用，這兩個(gè)控制狀態(tài)足夠控制目標。然而，這種控制的振蕩特性限制了其使用，因此正在被PID控制器所取代。

PID控制器保持輸出，使得通過(guò)閉環(huán)操作在過(guò)程變量和設定點(diǎn)/期望輸出之間存在零誤差。PID使用三種基本的控制行為，下面將對此進(jìn)行說(shuō)明。

P-控制器：

比例或P-控制器給出與電流誤差e（t）成比例的輸出。它將期望值或設定值與實(shí)際值或反饋過(guò)程值進(jìn)行比較。得到的誤差乘以比例常數得到輸出。如果錯誤值為零，則該控制器輸出為零。

此控制器在單獨使用時(shí)需要偏置或手動(dòng)重置。這是因為它從來(lái)沒(méi)有達到穩定狀態(tài)。它提供穩定的操作，但始終保持穩定狀態(tài)的錯誤。當比例常數Kc增加時(shí)，響應速度會(huì )增加。

I-控制器

由于p-控制器在過(guò)程變量和設定點(diǎn)之間總是存在偏差，所以需要I-控制器，這就提供了必要的動(dòng)作來(lái)消除穩態(tài)誤差。它集成了一段時(shí)間的誤差，直到誤差值達到零。它對最終控制裝置的誤差為零的值保持不變。

當發(fā)生負面誤差時(shí)，積分控制會(huì )降低其輸出。它限制了響應速度，影響了系統的穩定性。響應的速度通過(guò)減小積分增益Ki而增加。

在上圖中，隨著(zhù)I控制器的增益減小，穩態(tài)誤差也逐漸減小。對于大多數情況下，PI控制器尤其適用于不需要高速響應的場(chǎng)合。

當使用PI控制器，I-控制器輸出被限制在一定程度的范圍內，克服了積分飽和，其中積分輸出的推移，即使在零誤差狀態(tài)增加時(shí)，由于在所述植物的非線(xiàn)性的條件。

d-控制器

I-控制器不具備預測錯誤未來(lái)行為的能力。所以一旦設定值改變，它就會(huì )正常反應。D控制器通過(guò)預測未來(lái)的錯誤行為來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題。其輸出取決于誤差相對于時(shí)間的變化率，乘以微分常數。它為輸出提供啟動(dòng)，從而增加系統響應。

在上圖中，D控制器的響應比PI控制器多，輸出的建立時(shí)間也減少。它通過(guò)補償由I控制器引起的相位滯后來(lái)提高系統的穩定性。增加微分增益會(huì )提高響應速度。

PID控制器的作用

比例調節作用

按比例反應系統的偏差，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產(chǎn)生調節作用減少偏差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。

積分調節作用

使系統消除穩態(tài)誤差，提高無(wú)差度。因為有誤差，積分調節就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調節停止，積分調節輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時(shí)間常數Ti，Ti越小，積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調節可使系統穩定性下降，動(dòng)態(tài)響應變慢。

微分調節作用

微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見(jiàn)性，能預見(jiàn)偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調節作用消除。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強的加微分調節，對系統抗干擾不利。

PID控制應用的發(fā)展方向

在生產(chǎn)過(guò)程中為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)量，節約原材料，要求生產(chǎn)管理及生產(chǎn)過(guò)程始終處于最優(yōu)工作狀態(tài)。因此產(chǎn)生了一種最優(yōu)控制的方法，這就叫自適應控制。在這種控制中要求系統能夠根據被測參數，環(huán)境及原材料的成本的變化而自動(dòng)對系統進(jìn)行調節，使系統隨時(shí)處于最佳狀態(tài)。自適應控制包括性能估計（辨別）、決策和修改三個(gè)環(huán)節。它是微機控制系統的發(fā)展方向。但由于控制規律難以掌握，所以推廣起來(lái)尚有一些難以解決的問(wèn)題。入自適應的pid控制就帶有了一些智能特點(diǎn)，像生物一樣能適應外界條件的變化。還有自學(xué)習系統，就更加智能化了。

審核編輯：黃飛