控制系統(tǒng)分析設(shè)計與技術(shù)

1、編號：畢業(yè)設(shè)計(論文)外文翻譯（原文）院（系）：機電工程學(xué)院專 業(yè)：電氣工程及其自動化 學(xué)生姓名： 寧曉鵬 學(xué) 號：0800120126 指導(dǎo)教師單位：機電工程學(xué)院姓 名： 王斌 職 稱： 講師 2012年5 月2日PID控制系統(tǒng)分析、設(shè)計與技術(shù)Kiam Heong Ang, Gregory Chong, Student Member, IEEE, and Yun Li, Member, IEEE摘要-設(shè)計和整定一個比例-積分-微分（PID）控制器似乎是可以通過概念就能理解，但是實際上，如果同時要多個性能指標(biāo)比如快速性和可靠性達到要求，則可能是困難的。通常，通過各種方法獲得的最初設(shè)計需要通過電

2、腦仿真進行重復(fù)的調(diào)整直到閉環(huán)系統(tǒng)工作或者達到要求。這促進了智能工具的發(fā)展，這些工具可以幫助工程師在整個工作流程中獲得最佳的總體PID控制。這種發(fā)展已經(jīng)進一步的促進一些PID硬件模塊的高級整定算法（的使用）。與這些發(fā)展相一致，這篇文章概述性的介紹了（PID）在專利、軟件包和商業(yè)硬件模塊中的功能和整定方法。為了提高瞬態(tài)性能，已經(jīng)開發(fā)出了很多類似的PID控制方法。但是由于標(biāo)準(zhǔn)化和模塊的需要，現(xiàn)在仍然面臨挑戰(zhàn)。系統(tǒng)辨識和基于PID系統(tǒng)的軟件智能技術(shù)有助于整個設(shè)計的自動化，使整定過程到達一個起作用的點。這也應(yīng)該有助于”plug-play”控制器的發(fā)展，這種控制器將被廣泛應(yīng)用，它的設(shè)置很容易，并且會優(yōu)化操

3、作以滿足提高生產(chǎn)力、改善質(zhì)量和減少維護的需要。索引術(shù)語-專利，比例-積分-微分（PID）控制，PID硬件，PID軟件，PID整定。.介紹通過三項功能指標(biāo)來處理瞬時性和穩(wěn)態(tài)性，比例-積分-微分（PID）控制為現(xiàn)實中的控制問題提供了最簡單也最有效率的解決方法。自從1910年P(guān)ID控制和1942年Ziegler-Nichols直接整定方法發(fā)明以后，PID控制的普及已突飛猛進。隨著數(shù)字技術(shù)的進步，為現(xiàn)在自動控制科學(xué)的控制方案提供了一個廣泛的選擇。然而，超過90的工業(yè)控制器仍然采用基于PID的算法，特別是在最低水平的時候5，因為其他控制器沒有PID控制器提供的相匹配的簡單，功能明確，適用性以及易于使用(

4、的特點）32。它的廣泛使用已經(jīng)促進并保持了各種PID自整定技術(shù)、復(fù)雜的軟件包和硬件模塊的發(fā)展。PID控制器的成功和經(jīng)久不衰是在最近的國際會計師研討會上的一個特點，其中，致力于PID的研究論文超過90篇28。隨著許多在這一領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究成熟并進入“收益遞減”的區(qū)域，目前的研究和發(fā)展趨勢是將以軟件的形式（研發(fā)）PID技術(shù)，集中可用的方法，從而獲得最佳的PID控制21。許多基于軟件的技術(shù)已經(jīng)能夠在硬件模塊中實現(xiàn)運行參數(shù)的按需調(diào)整。而為了尋找未來的PID整定的關(guān)鍵技術(shù)，探索還在繼續(xù)。本文提供了一個包括PID軟件包、商業(yè)PID硬件模塊和專利的PID整定規(guī)則的現(xiàn)代PID技術(shù)的概述。首先，第二部分突出PID

5、的基礎(chǔ)和關(guān)鍵的問題。第三節(jié)則轉(zhuǎn)而關(guān)注獲得了專利的PID整定規(guī)則。第四部分則是一項對現(xiàn)有的PID軟件包的調(diào)查。在第五部分中，對進程中使用的PID硬件和調(diào)整方法的控制供應(yīng)商進行了討論。最后，是第六部分，是關(guān)于其中一些學(xué)術(shù)研究之間的突出差異和工業(yè)實踐。、三項功的能、設(shè)計與整定A.三項功能和并行結(jié)構(gòu)PID控制器可以看作是一種位于原點和其他無窮幾點之間的相位超前-滯后補償?shù)臉O端形式。同樣的，它的近似形式，PI和PD控制器，也可以分別視為極端形式的相位滯后和相位領(lǐng)先補償器。一個標(biāo)準(zhǔn)的PID控制器也被稱為三段控制器，其傳遞函數(shù)一般以并行的形式（1）或者以理想的形式（2）給出。其中Kp是比例增益，KI是積分增

6、益，KD是微分增益，TI是積分時間常數(shù)，TD是微分時間常數(shù)，三段功能的強調(diào)如下：比例項提供了一個通過全通增益系數(shù)，并且和誤差信號成正比的整體控制。積分項通過采用低頻補償?shù)姆e分器，減少穩(wěn)態(tài)誤差。微分項通過采用高頻補償?shù)奈⒎制?，改善瞬態(tài)響應(yīng)。這三個方面在閉環(huán)系統(tǒng)中的不同影響可以總結(jié)為表格.請注意此表僅僅能作為開環(huán)系統(tǒng)的第一指南。為獲得最佳性能，KP,KI(TI)和KD(TD)需要相互配合的進行整定。表格單獨的P,I和D整定的影響閉環(huán)響應(yīng)上升時間超調(diào)建立時間穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)定性增加KP減少增加小幅增加減少下降增加KI小幅減少增加增加大幅增加下降增加KD小幅減少減少減少微小的變化提高從學(xué)術(shù)界到工業(yè)界，通常認(rèn)

7、為增加了微分增益的KD,將會提高穩(wěn)定性。然而，在實踐中的從業(yè)人員常常發(fā)現(xiàn)，積分項可以對這樣一種預(yù)期起到相反的作用，尤其是當(dāng)存在一個傳輸延遲時。在整定KD過程中的挫折，使得許多操作人員關(guān)掉或者去掉這個衍生項。這件事情已經(jīng)到了需要澄清的時候，這點將在第二節(jié)-E中討論。B系列結(jié)構(gòu)如果兩個零是真實的，一個PID控制器還可以在“系列的形式”中實現(xiàn)，也就是如果TI>4TD。在這種情況下，（2）可以實現(xiàn)一個在表23中的PD和PI控制器級聯(lián)。其中C積分項對穩(wěn)定的影響參考（2）或（3），其中TI0，TD=0。由此可以看出，在純粹的比例項中加入積分項將由以下的一個因素提高增益同時將增加相位滯后，穩(wěn)定增益裕和

8、相位裕度將減少，即，閉環(huán)系統(tǒng)將變得更容易振蕩或潛在的不穩(wěn)定。D.集成的終結(jié)和補救措施如果一個能夠?qū)崿F(xiàn)控制作用的執(zhí)行機構(gòu)有一個有效的范圍的限制，則積分可能會飽和，之后的修正將被忽略，直到飽和度偏移。這將導(dǎo)致低頻振蕩，并可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。為了抵消這種影響，通常采用的一個的措施是“抗飽和”4，8，29。這是通過對積分過量的積分作用的內(nèi)部的負(fù)反饋來實現(xiàn)的，這樣飽和將會消失。幾乎所有的軟件包、硬件模塊已經(jīng)實施某種形式的積分抗飽和保護。作為被應(yīng)用在數(shù)字處理器中做先進的PID控制器，如（1）到（3），他們可以容納更多的數(shù)學(xué)函數(shù)和修改標(biāo)準(zhǔn)。一個簡單的和最廣泛采用的反飽和方可以通過在軟件和固件中修改積分作用其中代

9、表飽和控制作用，是一個修正因子。據(jù)發(fā)現(xiàn)，如果PID系數(shù)調(diào)整合理的話，在【0.1,1.0】的范圍內(nèi)將會有很好的性能。另據(jù)報道，在“串聯(lián)形式上，PI部分可能會應(yīng)用在反飽和執(zhí)行器而無需一個想圖1429中獨立的反飽和作用。當(dāng)有沒有飽和時，前饋路徑轉(zhuǎn)是固定的，從UPD(s)到U(s)的整體轉(zhuǎn)移是和在以上（3）中的因素是一樣的。E.微分項對穩(wěn)定性的影響一般而言，微分作用是有用的，因為它提供了有用的導(dǎo)致了由積分作用引起的偏移相位滯后的相。這也特別有助于縮短循環(huán)周期，從而加速其從不穩(wěn)定的混亂狀態(tài)中的恢復(fù)過來。相比于一階系統(tǒng)，它對二階系統(tǒng)的行為有更加戲劇性的影響，沒有了顯著地死區(qū)時間。然而，微分項也常常被誤解和

10、濫用。例如，它被廣泛的認(rèn)為，在控制領(lǐng)域中增加微分項將會提高穩(wěn)定性。在這里，這種看法并不總是有效的。在一般情況下，在純比例項中增加一個微分項將減少由以下因素帶來的相位滯后，其中僅傾向于增加PM,然而，在此期間，增益將因為以下因子而有所增加因此，總體的穩(wěn)定性可能是提高或者下降。圖1 抗飽和PI“系列形式的一部分”為了證明增加一個微分器可能會導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，考慮到不失去一般性，一個常見的一階滯后加上延遲環(huán)節(jié)可以描述如下其中K是過程增益，T為過程時間常數(shù)，;L是過程死區(qū)時間或者是運輸延遲。假設(shè)它是在由僅有增益Kp的比例控制器的基礎(chǔ)上增加一個微分項，這將導(dǎo)致一個有以下公式給出的混合的PD控制器總體

11、開環(huán)前饋路徑傳遞函數(shù)變?yōu)樵鲆娉蔀槠渲械牟坏仁揭呀?jīng)有解，因為對是單調(diào)的。這意味著如果TDT且KPp1或者TDT 且增益不會小于0dB。在這些情況下，0 dB增益交叉頻率是無限的，其中相位因此，由博德orNyquist標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)不存在穩(wěn)定裕度時，閉環(huán)系統(tǒng)將是不穩(wěn)定的。這種現(xiàn)象已經(jīng)造成了在設(shè)計一個完整的PID控制器的時出現(xiàn)困難，也是這個原因，造成了在使用中的80%的PID控制器去掉或者關(guān)閉微分部分【21】。這意味著，PID控制器的功能和潛力還沒有充分利用。盡管如此，這也表明，微分項的使用可以增加魯棒穩(wěn)定性，可以最大限度地幫助提高積分增益，從而達到最佳的性能7。然而，必須小心，因為合適的整定微分項是很困

12、難的。在圖2和圖3中有給出一個例子。其中K=10，T=1s,L=0.1s,它最初是由一個Kp=0.644,Ti=1.03s的PI控制器控制的。由此可以看出，如果微分器增加0.0303s，GM和PM都將最大化，而瞬態(tài)響應(yīng)會提高到最好的。但是，如果TD進一步提高到0.1秒，GM和瞬態(tài)響應(yīng)會變差。如果在比例增益的基礎(chǔ)上使微分增益增加到20%，閉環(huán)系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定。因此，微分項應(yīng)該合適的整定和使用。圖2。增加微分增益可以降低穩(wěn)定裕度和使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定圖3 提高增益對閉環(huán)系統(tǒng)時域性能的影響F.對異常微分作用的補救措施一個純粹的的微分器不是非正式的，它不限制高頻增益，如在（9）所示，表現(xiàn)在圖2。因此，當(dāng)它

13、的參考或者干擾步驟發(fā)生一步變化時，將產(chǎn)生一個理論上沒有限制的高頻控制信號。為了處理這一點，很多PID軟件包和硬件模塊對微分器執(zhí)行某些形式的濾波。1） 通過一個線性低通濾波器：一種常見的補救方法是將微分器和低通濾波器級聯(lián)過濾器，即修改它成許多工業(yè)PID硬件提供了一個可以設(shè)置為1到33的，多數(shù)介于8和1672。如在【17】中，一個二階巴特沃斯濾波器表明了其會進一步降低高頻增益。2）改變結(jié)構(gòu)：改善瞬態(tài)性能最近已經(jīng)成為一個至關(guān)重要的問題，在研發(fā)PID控制的時候已經(jīng)提出了對基本統(tǒng)一的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)提出重視4。在串級控制應(yīng)用中，內(nèi)環(huán)往往不需要比外環(huán)更敏感的設(shè)置點的變化。對內(nèi)環(huán)來講，標(biāo)準(zhǔn)PID結(jié)構(gòu)的變體可能會通

14、過，其使用的是過程變量（PV），而不是錯誤的信號，對于微分項【40】，即其中，y（t）是過程變量，E（T）= R（T）-Y（t）和R（T）是參考信號或設(shè)定點。它還建議，為進一步降低對設(shè)定點的變化的靈敏度，比例項也可能會改變過程變量，而不是錯誤的信號，即40結(jié)構(gòu)（17）有時也被稱為“B型”（或PI - D）控制和結(jié)構(gòu)（18），如同“C型”（或I-PD）的控制，而結(jié)構(gòu)（1）到（3）為“A型”PID控制。請注意，B型和C型改變傳統(tǒng)的反饋控制的基礎(chǔ)，使得PID方案在用魯棒穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)分析時變得更加困難。然而，對于設(shè)定點跟蹤應(yīng)用，然而，替代使用B型或C或許是一個有設(shè)定點的濾波器，這個濾波器有一個至關(guān)重要

15、的阻尼動態(tài)，以便為實現(xiàn)軟啟動和平穩(wěn)控制13。然而，理想的并聯(lián)，串聯(lián)和修改過的PID的結(jié)構(gòu)都可以在目前的軟件包和硬件模塊發(fā)現(xiàn)。讀者可參考Techmation的應(yīng)用手冊72中一個列表，其中記錄了一些在工業(yè)應(yīng)用的PID控制器結(jié)構(gòu)。3）通過中通濾波器去除異常的作用：另一種方法是使用中通濾波器，它是非線性，廣泛應(yīng)用于圖像處理中。它會比較當(dāng)前點和鄰近的幾個數(shù)據(jù)點進行比較，并選擇它們之中的一個中間值作為一個正常的作用值。比如說，通過這種方式，不尋常的或有害的尖峰脈沖或干擾，將完全被篩選出來。三點中值濾波器的偽代碼在圖4給出【23】。這種方法的主要好處是，沒有多余的參數(shù)，雖然它不是很適合在欠阻尼過程中。圖4.

16、 三點中值濾波以消除異常的微分作用G. 整定目標(biāo)和現(xiàn)有的方法在應(yīng)用PID控制中，選用控制器結(jié)構(gòu)會構(gòu)成挑戰(zhàn)。因為供應(yīng)商往往會推薦他們自己設(shè)計的控制器結(jié)構(gòu)，他們自己獨有的控制器結(jié)構(gòu)的整定規(guī)則和其他結(jié)構(gòu)的控制器都不一樣。一個解決方案是在軟件結(jié)構(gòu)上提供不同的支持。讀者可參考16和22中詳細(xì)討論的各種在使用中的PID結(jié)構(gòu)。盡管如此，要使控制器參數(shù)的調(diào)整使閉環(huán)控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，將要滿足以下目標(biāo)：穩(wěn)定的魯棒性;在設(shè)定點的快速跟蹤性能，包括上升時間，過沖和穩(wěn)定時間;穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)性能，包括負(fù)載擾動抑制;環(huán)節(jié)建模不確定性的魯棒性;環(huán)境噪聲衰減和魯棒性的不確定性。由給定的目標(biāo)，調(diào)整PID控制器的方法，根據(jù)其性質(zhì)和使用

17、情況進行分組，如下4，13，23。分析方法PID參數(shù)是由模型和實物之間的分析計算或者數(shù)學(xué)關(guān)系計算出來 的（比如內(nèi)模控制或者Lanbda 整定）。這些將會產(chǎn)生一個使用簡單的公式，并 且在使用中可以在線調(diào)整。但目標(biāo)必須采用分析的形式并且模型一定要準(zhǔn)確。啟發(fā)式方法這些都是在人工整定（比如Z-N整定原則）和人工智能（包括專 家系統(tǒng)，模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的發(fā)展過程的實踐經(jīng)驗。這些可以以公式的形式 或者規(guī)則在線使用，這樣也往往能夠與設(shè)計目標(biāo)達到折衷。頻率響應(yīng)的方法控制過程的頻率特性被用來整定PID控制器（如循環(huán)整形）。 這些通常采用是離線的形式和學(xué)術(shù)上的方法，設(shè)計主要關(guān)注的是魯棒穩(wěn)定性。優(yōu)化的方法這可以被

18、視為特殊類型的最優(yōu)控制，其中PID參數(shù)是用離線的數(shù) 值優(yōu)化方法以達到唯一的復(fù)合目標(biāo)或者使用電腦的啟發(fā)式或多個優(yōu)化算法的設(shè) 計目標(biāo)。這些往往是時域方法，主要應(yīng)用于離線狀態(tài)下。自適應(yīng)整定方法這些都是自動在線調(diào)整，在實時識別方法的基礎(chǔ)上，使用一 個或多個先前的組合。以前的分類不設(shè)置人工邊界，在實踐中應(yīng)用的一些方法可能屬于不止一個類型。PID整定方法的一個很好的總結(jié)中可以在4，18，26，28發(fā)現(xiàn)。然而，至今還沒有其他的整定方法，在熟悉度和易用性上可以代替簡單的Z-N方法。此外，缺乏一個通用的可以適用在消費類電子產(chǎn)品，家用電器，機電一體化系統(tǒng)TEMS和微電子機械系統(tǒng)（MEMS）范圍，并且迅速應(yīng)用于板載

19、或片上控制器的設(shè)計的方法，在過去的半個世紀(jì)中，對未來PID整定和實現(xiàn)模塊化的關(guān)鍵技術(shù)的探索還在繼續(xù)。HPIDeasy一個基于軟件的方法過去的十年中，在格拉斯哥大學(xué)的智能系統(tǒng)研究小組一直試圖利用現(xiàn)代電腦智能技術(shù)系統(tǒng)解決PID設(shè)計問題。結(jié)果，獲得了一個以軟件形式解決的設(shè)計方案，PIDeasy23。 考慮到PID在應(yīng)用中的簡單性和可靠性，努力保持控制器結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)形式，同時允許采用簡單和有效的微分濾波器和抗飽和積分器的增益優(yōu)化。通過設(shè)置控制器的優(yōu)化參數(shù)來提高其在快速的動態(tài)檢測過程中的性能尤其是瞬態(tài)響應(yīng)性能。多目標(biāo)的最優(yōu)化是通過用現(xiàn)代電腦智能技術(shù)在根源上解決現(xiàn)有問題。相比于基于Z-N和其他技術(shù)，PIDe

20、asy技術(shù)面向更廣泛的應(yīng)用，并因此提供以下例子：直接來自脫機或聯(lián)機計劃響應(yīng)的最優(yōu)PID的設(shè)計。應(yīng)用到任何一階（高階）的通用和最廣泛的延遲環(huán)節(jié)。在C + +和Java語言;中關(guān)閉電腦的數(shù)字控制器代碼。沒有任何作后續(xù)改進的必要性。整個數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)識別、設(shè)計、數(shù)字代碼執(zhí)行和在線測試過程的“plug-and-play”積分。在-G部分列出的所有五個標(biāo)準(zhǔn)中，帶或不帶飽和執(zhí)行器23，PIDeasy的時域性能似乎比現(xiàn)有的方法都更好。在圖2和圖3中的一個簡單的例子，為了驗證魯棒性，PIDeasy對L/T這個比值從0.001到1000.0進行測試。結(jié)果GMS和PMS如圖5所示，這印證了這個整定方法是穩(wěn)定和強大

21、的，在實踐中從業(yè)者都非常喜歡，而在時域，響應(yīng)速度快，無超調(diào)，無穩(wěn)態(tài)誤差而得以實現(xiàn)。圖五源自PIDeasy設(shè)計的增益和相位裕表測試實例中的PIDEASY增益和相位裕為了進一步驗證這種基于軟件的調(diào)整方法，也為了提供一個的典型環(huán)節(jié)的設(shè)置參數(shù)查找表，對一批的高階環(huán)節(jié)進行了測試表PID整定專利年份專利數(shù)申請人/名稱ID的方法整定方法1970US 3532862國際商業(yè)機器公司(amonk，NY)調(diào)整控制器增益控制過程的方法EF1973US 3727035菲利普斯石油公司（Bartlesville,Okla.）數(shù)字控制系統(tǒng)的脈沖測試EF1974US 3798426?？怂共_公司(Foxboro,MA)模式

22、評估方法和自適應(yīng)儀器NER1974US 3826887菲利普斯石油公司（Bartlesville,Okla.）整定PID控制器的簡化流程NER1980US 4214300（利物浦，英格蘭）三環(huán)節(jié)（PID）控制器EO1982US 4346433菲利普斯石油公司（Bartlesville,Okla.）“過程控制”EF1983US 4407013利茲- 諾思拉普公司（北威爾士，PA）通過辨識參數(shù)的離散時間模型轉(zhuǎn)換的自整定的P-I-D控制器NEF1984US 4441151東洋系統(tǒng)有限公司（東京，日本）過程控制系統(tǒng)中PID控制器的整定設(shè)備EF1984US 4451878東京芝浦和電機株式會社（川崎，日

23、本）過程控制設(shè)備EF1984US 4466054東京芝浦和電機株式會社（川崎，日本）改進的比例積分微分控制裝置NEF1985US 4539633東京芝浦和電機株式會社（川崎，日本）數(shù)字PID過程控制設(shè)備EF1985US 4549123NAF控制AB(Solna,SE)整定PID調(diào)節(jié)器的方法和裝置EF1986US 4563734東京芝浦和電機株式會社（川崎，日本）多變量比例- 積分- 微分過程控制儀器EF1986US 4602326?？怂共_公司（Foxboro公司，MA）對自整定控制器的模式的認(rèn)識NER1987US 4669040歐陸公司(Reston,VA)自整定控制器EF1988US 47

24、54391山武霍尼韋爾有限公司（東京，JP）確定PID參數(shù)的方法和使用這種方法的自動整定控制器EF1988US 4758943高科技網(wǎng)絡(luò)AB（馬爾默SE）自動整定的過程調(diào)節(jié)方法和裝置EF1988US 4768143巴威公司（新奧爾良，洛杉磯）使用自適應(yīng)增益調(diào)度算法的方法和儀器NEF1989US 4814968菲舍爾與波特公司（沃明斯特，PA）自整定過程控制器NER1989US 4855674山武霍尼韋爾有限公司（東京，JP）最大限度減少嘗試次數(shù)的過程控制系統(tǒng)和方法EF1989US 4864490三菱和電機株式會社（東京，JP）利用模糊推理獲得最佳控制參數(shù)的自動整定控制器NER1989US 48

25、81160橫河電機株式會社（東京，JP）自整定控制器NEF1989US 4882526株式會社東芝（川崎，JP）自適應(yīng)過程控制系統(tǒng)EF1990US RE33267福克斯波羅公司（Foxboro公司，MA）模式的認(rèn)識的自整定控制器NER1990US 4903192日立有限公司（東京，JP）PID控制系統(tǒng)NER1991US 5043862日立有限公司（東京，JP）自動設(shè)定PID常數(shù)的方法和裝置NER1992US 5126933查爾斯A.White三世（斯坦福的CT）自學(xué)過程控制器和自我更新的函數(shù)發(fā)生器的存儲器單元NE自主學(xué)習(xí)記憶單元1992US 5153807株式會社日立制作所（東京，JP）自整定

26、控制器設(shè)備和過程控制系統(tǒng)NER1992US 5159547洛克威爾國際公司（蓋章海灘，CA）自我監(jiān)控反饋整定控制器NER1992US 5166873橫河電機株式會社（東京，JP）過程控制裝置EF1992US 5170341霍尼韋爾公司（明尼蘇達州明尼阿波利斯）在過程控制系統(tǒng)中的自適應(yīng)控制器EF1993US 5223778Allen-Bradley公司(威斯康星州密爾沃基）PID控制器的自動整定裝置EF1993US 5229699工業(yè)技術(shù)研究院（竹東鎮(zhèn)，臺灣）PID控制器調(diào)整的方法和儀器EF1993US 5268835日立有限公司（東京，JP）一個過程控制到目標(biāo)狀態(tài)的過程控制器NEF1993US

27、 5272621Garasu日本和電機株式會社（滋賀縣JP）在有死區(qū)時間的控制過程采用模糊邏輯控制的方法和裝置NER1994US 5283729費希爾- 羅斯蒙特系統(tǒng)公司（美國德克薩斯州奧斯?。┱刂破鞯目刂茀?shù)的整定安排EF1994US 5295061三洋電機有限公司（大阪，JP）控制參數(shù)整定單元和控制單元整定參數(shù)的方法NER1994US 5311421株式會社日立制作所（東京，JP）利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)進行控制的過程控制方法和系統(tǒng)NE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1994US 5331541歐姆龍公司（東京，JP）PID控制單元EF1994US 5335164通用動力有限公司（CA）自適應(yīng)控制的方法及裝置N

28、EF1994US 5355305約翰遜服務(wù)公司（威斯康星州密爾沃基）模式識別的自適應(yīng)控制器NEF1995US 5394322?？怂共_公司（Foxboro公司，MA）獲取過程模型特點的自整定控制器EF1995US 5406474福克斯波羅公司（Foxboro公司，MA）自整定控制器NER1995US 5453925費希爾控制設(shè)備國際公司（Clayton,MO）自動整定一個過程控制器的系統(tǒng)和方法EF1996US 5535117株式會社東芝（川崎，JP）一個使用反饋控制的控制回路的控制過程的方法和設(shè)備EF1996US 5568377約翰遜服務(wù)公司（威斯康星州密爾沃基）一個反饋控制器的快速自動整定E

29、F1996US 5587896福克斯波羅公司（Foxboro公司，MA）自整定控制器NER1997US 5625552A.K，馬圖爾和T.Samad（明尼蘇達州明尼阿波利斯）閉環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自動整定裝置E神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1997US 5649062摩托羅拉公司（Schaumburg.IL）自動整定的控制器和使用此控制器的方法NEO1997US 5691615FANUC有限公司（Yamanashi,，JP）自適應(yīng)PI控制方法NEF1997US 5691896羅斯蒙特公司（Eden Prairie，MN）基于現(xiàn)場過程控制系統(tǒng)的自動整定EF1998US 5742503國家科學(xué)委員會（臺北，臺灣）在PID控制器

30、整定中的飽和繼電反饋的使用EF1998US 5796608哈特曼- 布勞恩A.G（法蘭克福）自我控制的調(diào)節(jié)裝置NEF1998US 5805447摩托羅拉公司（Schaumburg,IL）級聯(lián)整定控制器和使用方法NEO1998US 5818714羅斯蒙特公司(Eden Prairie,MN)漸進自動整定的過程控制系統(tǒng)EF1998US 5847952霍尼韋爾公司（明尼蘇達州明尼阿波利斯）基于非線性逼近的自動整定裝置NE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1999US 5971579三星電子有限公司（漢城，KR）使用遺傳算法的PID控制器確定增益的單元和方法NE遺傳算法1999US 5974434拉爾夫E.Rose（圣何塞，加

31、利福尼亞）反饋控制系統(tǒng)自動整定參數(shù)的方法及裝置NEO2000US 6076951新加坡國立大學(xué)（SG）頻域自適應(yīng)控制器EF2000US 6081751國家儀器公司（美國德克薩斯州奧斯汀）閉環(huán)PID控制器自動整定的方法和系統(tǒng)EF2000US 6128541費希爾控制設(shè)備國際公司（Clayton,MO）在過程控制網(wǎng)絡(luò)中使用的最佳自動整定裝置EO2001US 6253113霍尼韋爾國際公司（新澤西州的Morristown）使用在過程控制系統(tǒng)中的確定最佳整定參數(shù)的控制器及其使用方法EO2002US 6353766西門子股份公司（慕尼黑）根據(jù)被控系統(tǒng)的響應(yīng)信號產(chǎn)生控制參數(shù)的方法和一個PID控制器自適應(yīng)設(shè)

32、置的系統(tǒng)E神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)2002US 6438431新加坡國立大學(xué)（SG）基于多點中繼過程中的頻率響應(yīng)估算和控制整定裝置EF1984JP 59069807富士和電機躋造株式會社（JP）PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)EF1984JP 59153202富士和電機躋造株式會社（JP）PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)EF1991JP 3118606橫河電機公司（JP）自適應(yīng)控制器NE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1991JP 3265902橫河電機公司（JP）過程控制器NE1992JP 4076702三洋電機有限公司（JP）自動整定PID控制裝置NER1992JP 4346102日立公司（日本）PID參數(shù)自動整定方法EF1993J

33、P 5073104日立公司（日本）自動調(diào)整PID參數(shù)的方法EF1994JP 6095702日立公司（日本）自動整定的PID控制器EF1995JP 7168604松下電氣有限公司（JP）PID參數(shù)的自動整定系統(tǒng)EF1998JP 10333704東芝公司（日本）PID整定的方法和設(shè)備NEF1999JP 11161301安川電機公司（JP）具有自動整定功能的PID控制器NER1994KR 9407530韓國電子電信KR）PID控制器的整定方法-1997KR 9705554三星航空有限公司（KR）采用模糊技術(shù)的增益控制的方法ER1998WO9812611紐卡斯?fàn)栄芯繀f(xié)會有限公司（非盟）的大學(xué)自動調(diào)整P

34、ID控制器的方法和裝置EF2001WO0198845費舍爾羅斯蒙特系統(tǒng)公司（美國）自適應(yīng)反饋/前饋PID控制器NEF表PID軟件包產(chǎn)品名稱（a）(b)(c)(d)(e)(f)備注ADVA控制回路整定器【35】微軟Windows的Advant OCS系統(tǒng)聯(lián)系定價用具有魯棒性標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)極點的方法來選擇快速，正?；蛴凶枘嵝阅艿拈]環(huán)系統(tǒng)IMC整定×××微軟Windows和MATLAB軟件用IMC整定模型ID和PID調(diào)節(jié)軟件【43】3.5微軟Windows單用戶許可證699美元用IMC整定魯棒PID參數(shù)整定【44】？×微軟Windows聯(lián)系定價為非積分進程選擇修改

35、的IMC/或者閉環(huán)到開環(huán)的時間相應(yīng)和為積分過程選擇閉環(huán)響應(yīng)時間INTUNE454.12微軟Windows聯(lián)系定價采用基于整定的先進的IMC控制站【49】××微軟Windows美國每年花895美元為單用戶維修許可證使用調(diào)整相關(guān)選擇調(diào)節(jié)或跟蹤性能，DeltaV整【50】5.1DeltaV工作站和DeltaV控制器運行控制軟件聯(lián)系定價為PI選使用修改的Z-N規(guī)則的從無超調(diào)到超調(diào)的性能，為PIDX選擇相位、增益裕量規(guī)則ENTECH工具包整定器模塊微軟Windows聯(lián)系定價使用先進的Lambda調(diào)整PID整定【54】×1.05微軟Windows和MATLAB聯(lián)系定價使用IM

36、C整定Exper整定微軟Windows聯(lián)系定價選擇調(diào)節(jié)和跟蹤性能在25%振幅阻尼和10%的超調(diào)和Lambda（標(biāo)準(zhǔn)或水平）Easy PID整定【57】2.0微軟Windows和MATLAB聯(lián)系定價使用極點配置方法增加調(diào)整【58】微軟Windows聯(lián)系定價使用Lambda/IMC整定控制回路幫助63××1.0c微軟Windows聯(lián)系定價使用Lambda整定TuneUp64微軟Windows和MATLAB聯(lián)系定價使用優(yōu)化/Lambda整定整定向?qū)④沇indows聯(lián)系定價選擇調(diào)節(jié)或跟蹤性能或IMC調(diào)整或調(diào)壓室應(yīng)用RS整定【68】微軟Windows和艾倫- 布拉德利PLC-5，S

37、LC 500 或者控制邏輯PLCS聯(lián)系定價使用Exper整定Pro整定器32【72】×微軟Windows聯(lián)系定價使用有增益和相位裕度的消除點和閉環(huán)阻尼因子來選擇快，中，慢調(diào)節(jié)或者跟蹤性能的反應(yīng)整定魚微軟Windows和PROVOX控制器聯(lián)系定價使用Exper整定EZY整定【74】×微軟Windows每本售價199美元選擇基于閉環(huán)時間常數(shù)和上升時間在10%到90%的性能PIDeasy23×1.0微軟Windows聯(lián)系定價使用專有的算法Graphidor42××微軟Windows聯(lián)系定價使用PI和誤差的目標(biāo)搜索最小誤差生成三維圖Profit PID

38、56霍尼韋爾TPS/貿(mào)發(fā)局聯(lián)系定價使用專有的最小- 最大算法流體運動系統(tǒng)的數(shù)字PI/PID控制的簡單分析整定70微軟Windows聯(lián)系定價使用專有的算法VisSim/優(yōu)化PRO754.0微軟Windows和專業(yè)的VisSim4.0聯(lián)系定價使用一般化，簡化梯度的算法（GRG2）TOPAS36×1.2微軟Windows單用戶2000美元選擇調(diào)節(jié)或跟蹤性能和嚴(yán)密的平均水平控制WinREG-PID37微軟Windows和WinREG聯(lián)系定價SimAxIom(離線整定)【38】×微軟Windows聯(lián)系定價選擇所需的閉環(huán)響應(yīng)時間DynAxiom(離線整定)【38】?聯(lián)系定價PITOPS

39、40×微軟Windows聯(lián)系定價選擇調(diào)節(jié)或跟蹤性能BES整定【40】×4.4微軟Windows和MATLAB每份500美元選擇控制器的密封性CADETV1246微軟Windows聯(lián)系定價先進過程控制的通用過程鑒定（UPID）47微軟Windows聯(lián)系定價PEWIN Pro482.0微軟Windows聯(lián)系定價智能整定器【52】DEC Open VMS VAX or Open VMS AXP Series;PROVOX or SRx控制器聯(lián)系定價鼓掌整定Westinghouse過程控制分散控制系統(tǒng)聯(lián)系定價Ra PID591.2微軟Windows和MATLAB單用戶300元選擇調(diào)

40、節(jié)或跟蹤性能或兩者都選指揮者監(jiān)管軟件微軟Windows聯(lián)系定價控制系統(tǒng)整定包【61】3.0微軟Windows和MATLAB聯(lián)系定價JC系統(tǒng)工具箱【62】微軟Windows和LabVIEW每份495美元Windows的LabVIEW PID控制工具包65微軟Windows和LabVIEW聯(lián)系定價PIDS67×××微軟Window每份18美元選擇基于ITAE，ITSE，ISE或IZE的性能PID自整定器5.0微軟Window和S7-300/400聯(lián)系定價控制器整定101【71】××3.0微軟Windows基準(zhǔn)價格11美元GeneX762.0微軟Wi

41、ndows和MATLAB聯(lián)系定價CtrlLAB77×××3.0微軟Windows和MATLAB軟件選擇在ISE，ISTE，的ISTE或增益/相位?；A(chǔ)上的性能注意：（a）基于模型的整定。和開環(huán)/閉環(huán)單元相匹配的反饋數(shù)據(jù)到特定模型的一個指示軟件。（b）支持供應(yīng)商（提供的）特定的PID結(jié)構(gòu)。明確支持供應(yīng)商特定的PID結(jié)構(gòu)，而不是只支持一些不同的通用的PID結(jié)構(gòu)(c) 支持聯(lián)機操作。指示軟件支持聯(lián)機操作，如數(shù)據(jù)采樣，在線調(diào)整等。(d) 軟件版本回顧。(e) 相互依賴的操作系統(tǒng)和硬件/軟件。(f) 價格。請聯(lián)系制造商更新他們的產(chǎn)品價格。說明：支持；×不支持；？可

42、能支持；沒有可用的資料表商業(yè)的PID控制器硬件模塊生產(chǎn)廠家產(chǎn)品型號(a)(b)(c)(d)(e)描述ABBBitric P×××2000緊湊型單回路控制器Digitric 100×××2001多功能單回路控制器Commander 100×××19991/8 DIN通用過程控制器Commander 250×××19991/4DIN緊湊型過程控制器Commander 310×××1999在墻壁/管道安裝的通用過程控制器Commander 351

43、15;×20011/4 DIN通用過程控制器Commander 355×2001先進的1/4 DIN過程控制器Commander 505×20006x3格式的先進的過程控制器Commander V100××××19991/8 DIN電動閥門控制器Commander V250××××19981/4 DIN電動閥門控制器ECA06×××2000ECA系列-通用過程控制器ECA60×2000ECA系列-通用過程控制器ECA6002000ECA系列-通用

44、過程控制器MODCELL TM 2050R×××2001單回路控制器53SL6000×××2001Micro-DCI 儀表單回路控制器Foxboro716C×19961/6 DIN溫度控制器718PL,718PR××1996具有現(xiàn)場設(shè)定點（PL）和遠程設(shè)定點的1/8 DIN過程控制器718TC,718TS××1996具有mA輸出和伺服輸出的1/8 DIN溫度控制器731C××19961/4 DIN 數(shù)字過程控制器743C××1994現(xiàn)場微控制器7

45、60C××1985單站微控制器761C××1987單站微加控制器762C××1996單站微控制器T630C××2000過程控制器HoneywellUDC100××××19991/4 DIN通用數(shù)字式溫度控制器UDC700××19961/32 DIN通用數(shù)字控制器指示器UDC900××19971/16 DIN通用數(shù)字式溫度控制器UDC1000,UDC1500××2001Micro-Pro系列-通用系列控制器UDC230

46、0××19991/4 DIN通用數(shù)字控制器UDC3300×19991/4 DIN通用數(shù)字控制器UDC5000××1994Ultra-Pro 通用數(shù)字控制器UDC63001997獨立的過程控制器和過程指標(biāo)YokogawaUS10001998過程控制器UT320,UT350,UT420,UT450,UT520,UT550,UT750×××2000增強型綠色系列溫度控制器UP350,UP550,UP750×××2000增強型綠色系列可編程控制器YS150×1991高級過程控制器YS

47、1701991高級過程控制器注意：（a）按需自動整定;（b）增益調(diào)度; (c) 自適應(yīng)控制;(d)前饋控制;(e)本年度發(fā)表說明：請參考表另外，PIDeasy 可以再一毫秒內(nèi)提供最優(yōu)參數(shù)。GM和PM的結(jié)果顯示在表二，確定軟件的PIDeasyf方法對模型變化是穩(wěn)定和健壯的。因此，這種基于軟件方法具有廣泛的適用性，并應(yīng)為板載或片上控制器的設(shè)計提供一個有用的方法。它還為迅速整定專用的PID控制器網(wǎng)絡(luò)的更高階和非線性環(huán)節(jié)提供了一個很好的起點。.PID的專利A. 申請專利這部分側(cè)重于目前經(jīng)常在應(yīng)用在工業(yè)中的PID設(shè)計工具和硬件模塊的具有專利的整定方法。有關(guān)PID整定范圍的專利，目前還正在研究和分析，如表

48、三所示，這是按時間順序列出的。這樣的提交的專利，有64個是在美國(US),11個在日本（JP），2個在韓國（KR）,還有兩個是在世界知識產(chǎn)權(quán)組織（WO）。需要注意的是在以下的分析中，有一個韓國人的專利（KR 9407530）是不包含在內(nèi)的，因為它不是用英文來寫的。讀者如果想了解每個專利的詳細(xì)信息，可以參考12和30。B. 整定的判別方法大部分整定方法的專利是依靠動態(tài)環(huán)節(jié)的判別的，使用激勵(E)和不激勵（NE)的類型的方法。激勵類型又可以進一步細(xì)分到時間或頻域的方法。在環(huán)節(jié)設(shè)置和調(diào)試時，為了設(shè)置PID初始參數(shù)值，經(jīng)常會使用激勵的方法。時域激勵通常是應(yīng)用在開環(huán)方式中的一個步驟或者一個偽隨機二進制序

49、列（PRBS）。這是一個經(jīng)典并且最廣泛使用的方法。這種方法也經(jīng)常在基于模型的整定方法中使用。頻域激勵通常使用類似繼電器的方法，這其中的環(huán)節(jié)將會采用一個受控的自激振蕩。在整定一個PID控制器時，這種類型的判別，一般不要求一個參數(shù)化的模型，這也是通過基于時域的判別方法的主要優(yōu)勢。一般來說，由于安全原因，在工業(yè)應(yīng)用中，非激勵型的判別是首選，特別是在正常操作期間，它不會破壞設(shè)備。如圖6所示，現(xiàn)在有越來越多的關(guān)于非勵磁判別的專利在提交。圖6、從1971年到2000年使用的專利的判別類型。圖7、在從1971年到2000年的專利中使用的整定方法的類型。圖8、ABB - CM測量方法2。C. 具有專利的整定方

50、法獲得專利的大部分的整定和判別方法是面向過程工程并且是針對特定的應(yīng)用而出現(xiàn)的。如在表中所示，獲得專利的整定方法大多是基于公式(F)，基于規(guī)則(R)和基于化的方法的（O）?；诠椒椒ㄊ鞘状味x設(shè)備環(huán)節(jié)的特征，然后進行映射（和Z-N公式相類似）。這些經(jīng)常在按需整定的響應(yīng)中使用?；谝?guī)則的方法通常用于自適應(yīng)控制，但可能是很復(fù)雜的而且針對特定的應(yīng)用。這些可以是專家系統(tǒng)，包括簡單的啟發(fā)式和模糊邏輯規(guī)則?；趦?yōu)化方法采用常規(guī)的（比如最小均方）或者不常規(guī)的（比如遺傳算法【13】）的搜索方法，往往適用于離線或非常緩慢的過程。如圖7所示，雖然其他方法也在得到越來越多的關(guān)注，但是基于公式的整定方法仍具有最活躍的

51、發(fā)展（趨勢）。然而，其中大多數(shù)是不具有全球性或多目標(biāo)優(yōu)化性能的，因此它們的應(yīng)用是有限的。、PID軟件包B. 軟件包由于缺乏一個簡單的和廣泛適用的整定方法，因此發(fā)展一個容易使用的PID整定軟件勢在必行。這將促使具有一些控制知識或設(shè)備環(huán)節(jié)信息的從業(yè)者能夠為各種應(yīng)用整定一個優(yōu)化高效的PID控制器。也因此希望這樣的軟件工具能夠在不需要投入大量的時間和人力去測試和調(diào)整控制回路的情況下，提高運營中的公司系統(tǒng)的性能，產(chǎn)量和質(zhì)量。表四，分析和總結(jié)了目前可用的商業(yè)PID軟件包，根據(jù)其整定方法的分組情況。要注意的是，ADVA控制回路整定器（Advant OCS系統(tǒng)），DeltaV的整定，（DeltaV工作站），智能整定器（費希爾- 羅斯蒙特PROVOX控制器），OvationTune（西屋電氣公司的DCS），Profit PID（霍尼韋爾TPS/貿(mào)發(fā)局系統(tǒng)），PID自整定器（西門子SIMATIC S7/C7）和整定-A-Fish（費希爾- 羅斯PROVOX安裝控制器）為專用的系統(tǒng)而開