PID控制简介 点击：8970 | 回复：61
发表于：2004-01-06 11:19:00
楼主
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。控制器的输出经过输出接口﹑执行机构﹐加到被控系统上﹔控制系统的被控量﹐经过传感器﹐变送器﹐通过输入接口送到控制器。不同的控制系统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。 可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。
1、开环控制系统
开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
2、闭环控制系统
闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。
3、阶跃响应
阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后﹐系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的﹔准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来(Steady-state error)描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差﹔快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。
4、PID控制的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
5、PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作﹔(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期﹔(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
下篇：智能PID控制
发表于：2003-12-30 23:44:00
22楼
简单说：给定值r（t)，实际值c(t)，偏差e(t)=r（t)-c(t)，积分项就是对偏差e(t)的积分，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti。偏差e(t)=r（t)-c(t)的绝对值是增大的，当然包括了正负偏差。我回答的问题是针对baim的疑问，“王老师：问稳态误差的含义是什么？请指教，对积分的概念理解起来总是很模糊。”，我用“稳态误差也就是静态误差。为了消除稳（静）态误差，在控制器中引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。也可以这样理解，随着时间的增加，误差也增大。这就是积分项的基本含义。”回答是没错的。你可能理解错了我的意图。
发表于：2003-12-31 11:27:00
24楼
老大，你的回答还是不对：
两处重要错误：
（1）“给定值r（t)，实际值c(t)，偏差e(t)=r（t)-c(t)，积分项就是对偏差e(t)的积分（好，没问题），积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti。偏差e(t)=r（t)-c(t)的绝对值是增大的（这就错了）”
怎么增大？PID调节的最终目的是e(t)=0,，而其中对稳态误差的消除是靠积分项，也就是说，加入积分项后，随着时间的增加，偏差的方向（就算是绝对值）是逐渐减小，而不是增大，只有这样，才能叫消除稳态误差，然否？！
（2）“积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。也可以这样理解，随着时间的增加，误差也增大。这就是积分项的基本含义。”
呵呵！你又把你的错误理解重复了一遍！
发表于：2003-12-31 12:18:00
25楼
以下是抄来的，需要更多的了解就去看书吧！
PID控制简介
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。
这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。
PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ki和Kd）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。
首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。
其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。
第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。
在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。
在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：
如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。
如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。
因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。
但仍不可否认PID也有其固有的缺点：
PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。
虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。
发表于：2004-01-06 11:19:00
27楼
CyboSoft拥有无模型自适应（MFA）控制技术美国专利，开发了多种基于MFA的软硬件产品，包括CyboCon（无模型自适应控制软件），CyboCon CE（通用型先进控制仪表），CyboCon Dragon（先进的微型DCS系统）。
与其它负反馈控制器（自适应或非自适应）一样，MFA根据设定值和过程变量之间的偏差决定如何最好地控制过程。但与传统的过程控制器不同的是，MFA通过前N个采样值来分析偏差的整个趋势。这就使控制器可以观察到过程的动态特性。然而，MFA并不试图通过这种观察来创建过程的固定模型，而是利用神经网络，根据偏差的历史数据直接计算出下一步控制作用。
MFA神经元网络的特点是它的动态特性。通过不断更新加权因子的值，在每一个采样周期后，帮助控制器产生一个自适应控制信号，以达到消除设定值与过程变量之间的偏差的控制目标。
公司主要产品CyboCon是基于MFA技术的先进控制软件，是一种“梦想成真”回路控制器。它具有强大的自适应性和鲁棒性，能解决过程控制中非线性、时变、大滞后、耦合等复杂控制问题。
CyboCon中拥有多种类型的MFA控制器，适用于不同场合，其中包括：
SISO MFA（标准MFA） － 取代PID；
Nonlinear MFA（非线性MFA） － 控制极端非线性过程；
Anti-delay MFA（抗滞后MFA） － 控制大滞后过程；
Robust MFA（鲁棒MFA） － 迫使过程变量维持在预定的范围；
Feedforward MFA（前馈MFA） － 抑制可测的扰动；
MFA pH － 控制pH过程;
Anti-delay MFA pH － 控制大滞后的pH过程；
Flex-phase MFA － 控制开环振荡过程；
Time-Varying MFA － 控制大惯性、滞后时间不确定的过程。
CyboCon具有OPC、DDE、特定API驱动等多种通信连接方式，能方便地与现有的各种DCS、PLC、HMI/SCADA软件相连。CyboCon使用非常简单，无需太多的过程控制专业知识，无需建立数学模型，无需参数调整，即装即用，为过程工业带来十分明显的效益，如保证产品质量、提高产量、降低能耗、安全运行、改善劳动条件等。
博软公司MFA产品在各行业已经有所应用，包括：
》石油化工行业：延迟焦化炉油出口温度，常减压装置，直流注汽锅炉蒸汽干度，pH控制，精馏塔，合成氨氢氮比等方面的控制；
》冶金钢铁行业：冷轧厂连续加热炉带钢温度、锡层厚度，铝厂回转窑温度、炉窑、制铝过程，钢厂煤气混合配比等方面的控制；
》电力行业：电厂循环流化床锅炉，巴威燃油启动炉等方面的控制；
》食品行业：番茄酱热融温度、蒸汽注入消毒过程，蒸发器出水密度、废水液位等方面的控制；
》玻璃制造行业：晶体管道成型，熔炉等方面的控制；
》轮胎制造、航天风洞试验装置、半导体制造、大学实验室、日用品及化妆用品制造等。
详细介绍请浏览博软公司中文网页。http://www.cybosoft.com.cn
博软自动化技术（上海）有限公司是美国通控集团博软公司（CyboSoft, General Cybernation Group Inc.）在上海设立的全资子公司，致力于在工业领域推广无模型自适应（MFA）控制技术，是先进控制解决方案的供应商。
发表于：2004-04-12 14:55:00
29楼
3c feiyue6986，PLC及PID控制器控制温度是可行的，但PID控制理论与现场实际控制有一定的距离。你这个问题在现场应用较多，如烤漆的过程就是这样，是否能满足要求，很大程度上不取决于PLC及PID控制本身，而取决于现场经验，“如升到50度时停止加温，然后恒温几秒钟，在停止加温时温度应马上不再上升。”理论上可以算得很准确，但实际上不行，以烤漆为例，控温的准确度与恒温箱（房）、加热板（器）等有关，重要的要通过实验，看在什么温度下，恒温过程可以不超过50度，有的时候需要设定在48、49或47等才行，如果设在50度上，很多情况下不行，这时候再好的PID控制器也满足不了要求，单纯从PID控制理论上恐怕说不清。建议采用单独的市售智能PID控制器控制。在用智能PID控制器控制时可以充分利用它的正作用和反作用功能，通过反馈进行调解。
顺便说一句，正作用和反作用的原理一样，作用相反。工程上的问题与实际有一定距离，需要通过实验确定。上面我在帖子里说得没错，但在不同的角度可能有不同的认识，但绝不会得出否定的结论。
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