PID比例積分微分

1、盡管不同類(lèi)型的控制器，其結(jié)構(gòu)、原理各不相同，但是基本控制規(guī)律只有三個(gè)：比例（P）控制、積分（I）控制和微分（D）控制。這幾種控制規(guī)律可以單獨(dú)使用，但是更多場(chǎng)合是組合使用。如比例（P）控制、比例-積分（PI）控制、比例-積分-微分（PID）控制等。比例（P）控制單獨(dú)的比例控制也稱(chēng)“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系，偏差越大輸出越大。實(shí)際應(yīng)用中，比例度的大小應(yīng)視具體情況而定，比例度太小，控制作用太弱，不利于系統(tǒng)克服擾動(dòng)，余差太大，控制質(zhì)量差，也沒(méi)有什么控制作用；比例度太大，控制作用太強(qiáng)，容易導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，引發(fā)振蕩。對(duì)于反應(yīng)靈敏、放大能力強(qiáng)的被控對(duì)象，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)

2、當(dāng)使比例度稍小些；而對(duì)于反應(yīng)遲鈍，放大能力又較弱的被控對(duì)象，比例度可選大一些，以提高整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度，也可以相應(yīng)減小余差。單純的比例控制適用于擾動(dòng)不大，滯后較小，負(fù)荷變化小，要求不高，允許有一定余差存在的場(chǎng)合。工業(yè)生產(chǎn)中比例控制規(guī)律使用較為普遍。比例積分（PI）控制比例控制規(guī)律是基本控制規(guī)律中最基本的、應(yīng)用最普遍的一種，其最大優(yōu)點(diǎn)就是控制及時(shí)、迅速。只要有偏差產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用。但是，不能最終消除余差的缺點(diǎn)限制了它的單獨(dú)使用。克服余差的辦法是在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用。積分控制器的輸出與輸入偏差對(duì)時(shí)間的積分成正比。這里的“積分”指的是“積累”的意思。積分控制器的輸出不僅與輸入

3、偏差的大小有關(guān)，而且還與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。只要偏差存在，輸出就會(huì)不斷累積（輸出值越來(lái)越大或越來(lái)越?。?，一直到偏差為零，累積才會(huì)停止。所以，積分控制可以消除余差。積分控制規(guī)律又稱(chēng)無(wú)差控制規(guī)律。積分時(shí)間的大小表征了積分控制作用的強(qiáng)弱。積分時(shí)間越小，控制作用越強(qiáng)；反之，控制作用越弱。積分控制雖然能消除余差，但它存在著控制不及時(shí)的缺點(diǎn)。因?yàn)榉e分輸出的累積是漸進(jìn)的，其產(chǎn)生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時(shí)有效地克服干擾的影響，難以使控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。所以，實(shí)用中一般不單獨(dú)使用積分控制，而是和比例控制作用結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成比例積分控制。這樣取二者之長(zhǎng)，互相彌補(bǔ)，既有比例控制作用的迅速及時(shí)，又有積分控制

4、作用消除余差的能力。因此，比例積分控制可以實(shí)現(xiàn)較為理想的過(guò)程控制。比例積分控制器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種控制器，多用于工業(yè)生產(chǎn)中液位、壓力、流量等控制系統(tǒng)。由于引入積分作用能消除余差，彌補(bǔ)了純比例控制的缺陷，獲得較好的控制質(zhì)量。但是積分作用的引入，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。對(duì)于有較大慣性滯后的控制系統(tǒng)，要盡量避免使用。比例微分（PD）控制比例積分控制對(duì)于時(shí)間滯后的被控對(duì)象使用不夠理想。所謂“時(shí)間滯后”指的是：當(dāng)被控對(duì)象受到擾動(dòng)作用后，被控變量沒(méi)有立即發(fā)生變化，而是有一個(gè)時(shí)間上的延遲，比如容量滯后，此時(shí)比例積分控制顯得遲鈍、不及時(shí)。為此，人們?cè)O(shè)想：能否根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)來(lái)做出相應(yīng)的控制動(dòng)作呢？猶如有經(jīng)

5、驗(yàn)的操作人員，即可根據(jù)偏差的大小來(lái)改變閥門(mén)的開(kāi)度（比例作用），又可根據(jù)偏差變化的速度大小來(lái)預(yù)計(jì)將要出現(xiàn)的情況，提前進(jìn)行過(guò)量控制，“防患于未然”。這就是具有“超前”控制作用的微分控制規(guī)律。微分控制器輸出的大小取決于輸入偏差變化的速度。微分輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，而與偏差的大小以及偏差是否存在與否無(wú)關(guān)。如果偏差為一固定值，不管多大，只要不變化，則輸出的變化一定為零，控制器沒(méi)有任何控制作用。微分時(shí)間越大，微分輸出維持的時(shí)間就越長(zhǎng)，因此微分作用越強(qiáng)；反之則越弱。當(dāng)微分時(shí)間為0時(shí)，就沒(méi)有微分控制作用了。同理，微分時(shí)間的選取，也是需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定的。微分控制作用的特點(diǎn)是：動(dòng)作迅速，具有超前調(diào)節(jié)功

6、能，可有效改善被控對(duì)象有較大時(shí)間滯后的控制品質(zhì)；但是它不能消除余差，尤其是對(duì)于恒定偏差輸入時(shí)，根本就沒(méi)有控制作用。因此，不能單獨(dú)使用微分控制規(guī)律。比例和微分作用結(jié)合，比單純的比例作用更快。尤其是對(duì)容量滯后大的對(duì)象，可以減小動(dòng)偏差的幅度，節(jié)省控制時(shí)間，顯著改善控制質(zhì)量。比例積分微分（PID）控制最為理想的控制當(dāng)屬比例-積分-微分控制規(guī)律。它集三者之長(zhǎng)：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(dāng)偏差階躍出現(xiàn)時(shí)，微分立即大幅度動(dòng)作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時(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(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定；而

7、積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個(gè)作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，得到較為理想的控制效果。編輯本段PID控制器調(diào)試方法比例系數(shù)的調(diào)節(jié)比例系數(shù)P的調(diào)節(jié)范圍一般是：0.1-100.如果增益值取0.1，PID調(diào)節(jié)器輸出變化為十分之一的偏差值。如果增益值取100，PID調(diào)節(jié)器輸出變化為一百倍的偏差值。可見(jiàn)該值越大，比例產(chǎn)生的增益作用越大。初調(diào)時(shí)，選小一些，然后慢慢調(diào)大，直到系統(tǒng)波動(dòng)足夠小時(shí)，再該調(diào)節(jié)積分或微分系數(shù)。過(guò)大的P值會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，持續(xù)振蕩；過(guò)小的P值又會(huì)使系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍。合適的值應(yīng)該使系統(tǒng)由足夠的靈敏度但又不會(huì)反應(yīng)過(guò)于靈敏，一定時(shí)間的遲緩要靠積分時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)。積分系數(shù)的

8、調(diào)節(jié)積分時(shí)間常數(shù)的定義是，偏差引起輸出增長(zhǎng)的時(shí)間。積分時(shí)間設(shè)為1秒，則輸出變化100%所需時(shí)間為1秒。初調(diào)時(shí)要把積分時(shí)間設(shè)置長(zhǎng)些，然后慢慢調(diào)小直到系統(tǒng)穩(wěn)定為止。微分系數(shù)的調(diào)節(jié)微分值是偏差值的變化率。例如，如果輸入偏差值線性變化，則在調(diào)節(jié)器輸出側(cè)疊加一個(gè)恒定的調(diào)節(jié)量。大部分控制系統(tǒng)不需要調(diào)節(jié)微分時(shí)間。因?yàn)橹挥袝r(shí)間滯后的系統(tǒng)才需要附加這個(gè)參數(shù)。如果畫(huà)蛇添足加上這個(gè)參數(shù)反而會(huì)使系統(tǒng)的控制受到影響。如果通過(guò)比例、積分參數(shù)的調(diào)節(jié)還是收不到理想的控制要求，就可以調(diào)節(jié)微分時(shí)間。初調(diào)時(shí)把這個(gè)系數(shù)設(shè)小，然后慢慢調(diào)大，直到系統(tǒng)穩(wěn)定。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控

9、制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)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(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)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(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)彳丁最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般米用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)彳丁PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：（1）首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。對(duì)于溫度系統(tǒng)：P（%）20-60,I（分）3-10,D（分）0.5-3對(duì)于流量系統(tǒng)：P（%）40-100,I（分）0.1-1對(duì)于壓力系統(tǒng)：P（%）30-70,I（分）0.4-3對(duì)于液位系統(tǒng)：P（%）20-80，I（分）