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PID控制器整定方法
發布時間：2014-09-17
PID控制器整定方法
工業生產過程中，對于生產裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數值上，或按一定的規律變化，以滿足生產工藝的要求。PID控制器是根據PID控制原理對整個控制系統進行偏差調節，從而使被控變量的實際值與工藝要求的預定值一致。不同的控制規律適用于不同的生產過程，必須合理選擇相應的控制規律，否則PID控制器將達不到預期的控制效果。
目錄
PID控制器（Proportion Integration Differentiation.比例-積分-微分控制器），由比例單元 P、積分單元 I 和微分單元 D 組成。通過Kp， Ki和Kd三個參數的設定。PID控制器主要適用于基本線性和動態特性不隨時間變化的系統。
PID 控制器是一個在工業控制應用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數據和一個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統的數據達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID控制器可以根據歷史數據和差別的出現率來調整輸入值，這樣可以使系統更加準確，更加穩定。可以通過數學的方法證明，在其他控制方法導致系統有穩定誤差或過程反復的情況下，一個PID反饋回路卻可以保持系統的穩定。
一個控制回路包括三個部分：
系統的傳感器得到的測量結果 控制器作出決定 通過一個輸出設備來作出反應 控制器從傳感器得到測量結果，然后用需求結果減去測量結果來得到誤差。然后用誤差來計算出一個對系統的糾正值來作為輸入結果，這樣系統就可以從它的輸出結果中消除誤差。
在一個PID回路中，這個糾正值有三種算法，消除目前的誤差，平均過去的誤差，和透過誤差的改變來預測將來的誤差。
比如說，假如一個水箱在為一個植物提供水，這個水箱的水需要保持在一定的高度。一個傳感器就會用來檢查水箱里水的高度，這樣就得到了測量結果?？刂破鲿幸粋€固定的用戶輸入值來表示水箱需要的水面高度，假設這個值是保持65%的水量?？刂破鞯妮敵鲈O備會連在一個馬達控制的水閥門上。打開閥門就會給水箱注水，關上閥門就會讓水箱里的水量下降。這個閥門的控制信號就是我們控制的變量，它也是這個系統的輸入來保持這個水箱水量的固定。
PID控制器可以用來控制任何可以被測量的并且可以被控制的變量。比如，它可以用來控制溫度，壓強，流量，化學成分，速度等等。
一些控制系統把數個PID控制器串聯起來，或是鏈成網絡。這樣的話，一個主控制器可能會為其他控制輸出結果。一個常見的例子是馬達的控制。我們會常常需要馬達有一個控制的速度并且停在一個確定的位置。這樣呢，一個子控制器來管理速度，但是這個子控制器的速度是由控制馬達位置的主控制器來管理的。
連合和串聯控制在化學過程控制系統中是很常見的。
PID是以它的三種糾正算法而命名的。這三種算法都是用加法調整被控制的數值。而實際上這些加法運算大部分變成了減法運算因為被加數總是負值。這三種算法是：
比例- 來控制當前，誤差值和一個負常數P（表示比例）相乘，然后和預定的值相加。P只是在控制器的輸出和系統的誤差成比例的時候成立。這種控制器輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關系。比如說，一個電熱器的控制器的比例尺范圍是10°C，它的預定值是20°C。那么它在10°C的時候會輸出100%，在15°C的時候會輸出50%，在19°C的時候輸出10%，注意在誤差是0的時候，控制器的輸出也是0。
積分 - 來控制過去，誤差值是過去一段時間的誤差和，然后乘以一個負常數I，然后和預定值相加。I從過去的平均誤差值來找到系統的輸出結果和預定值的平均誤差。一個簡單的比例系統會振蕩，會在預定值的附近來回變化，因為系統無法消除多余的糾正。通過加上一個負的平均誤差比例值，平均的系統誤差值就會總是減少。所以，最終這個PID回路系統會在預定值定下來。
微分 - 來控制將來，計算誤差的一階導，并和一個負常數D相乘，最后和預定值相加。這個導數的控制會對系統的改變作出反應。導數的結果越大，那么控制系統就對輸出結果作出更快速的反應。這個D參數也是PID被稱為可預測的控制器的原因。D參數對減少控制器短期的改變很有幫助。一些實際中的速度緩慢的系統可以不需要D參數。 用更專業的話來講，一個PID控制器可以被稱作一個在頻域系統的濾波器。這一點在計算它是否會最終達到穩定結果時很有用。如果數值挑選不當，控制系統的輸入值會反復振蕩，這導致系統可能永遠無法達到預設值。
盡管不同類型的控制器，其結構、原理各不相同，但是基本控制規律只有三個：比例（P）控制、積分（I）控制和微分（D）控制。這幾種控制規律可以單獨使用，但是更多場合是組合使用。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
單獨的比例控制也稱“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關系，偏差越大輸出越大。實際應用中，比例度的大小應視具體情況而定，比例度太大，控制作用太弱，不利于系統克服擾動，余差太大，控制質量差，也沒有什么控制作用；比例度太小，控制作用太強，容易導致系統的穩定性變差，引發振蕩。
對于反應靈敏、放大能力強的被控對象，為提高系統的穩定性，應當使比例度稍小些；而對于反應遲鈍，放大能力又較弱的被控對象，比例度可選大一些，以提高整個系統的靈敏度，也可以相應減小余差。
單純的比例控制適用于擾動不大，滯后較小，負荷變化小，要求不高，允許有一定余差存在的場合。工業生產中比例控制規律使用較為普遍。
比例積分（PI）控制
比例控制規律是基本控制規律中最基本的、應用最普遍的一種，其最大優點就是控制及時、迅速。只要有偏差產生，控制器立即產生控制作用。但是，不能最終消除余差的缺點限制了它的單獨使用。克服余差的辦法是在比例控制的基礎上加上積分控制作用。
積分控制器的輸出與輸入偏差對時間的積分成正比。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偏差的大小有關，而且還與偏差存在的時間有關。只要偏差存在，輸出就會不斷累積（輸出值越來越大或越來越小），一直到偏差為零，累積才會停止。所以，積分控制可以消除余差。積分控制規律又稱無差控制規律。
積分時間的大小表征了積分控制作用的強弱。積分時間越小，控制作用越強；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的缺點。因為積分輸出的累積是漸進的，其產生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時有效地克服干擾的影響，難以使控制系統穩定下來。所以，實用中一般不單獨使用積分控制，而是和比例控制作用結合起來，構成比例積分控制。這樣取二者之長，互相彌補，既有比例控制作用的迅速及時，又有積分控制作用消除余差的能力。因此，比例積分控制可以實現較為理想的過程控制。
比例積分控制器是目前應用最為廣泛的一種控制器，多用于工業生產中液位、壓力、流量等控制系統。由于引入積分作用能消除余差，彌補了純比例控制的缺陷，獲得較好的控制質量。但是積分作用的引入，會使系統穩定性變差。對于有較大慣性滯后的控制系統，要盡量避免使用。
比例微分（PD）控制
比例積分控制對于時間滯后的被控對象使用不夠理想。所謂“時間滯后”指的是：當被控對象受到擾動作用后，被控變量沒有立即發生變化，而是有一個時間上的延遲，比如容量滯后，此時比例積分控制顯得遲鈍、不及時。為此，人們設想：能否根據偏差的變化趨勢來做出相應的控制動作呢？猶如有經驗的操作人員，即可根據偏差的大小來改變閥門的開度（比例作用），又可根據偏差變化的速度大小來預計將要出現的情況，提前進行過量控制，“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，而與偏差的大小以及偏差是否存在與否無關。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，控制器沒有任何控制作用。微分時間越大，微分輸出維持的時間就越長，因此微分作用越強；反之則越弱。當微分時間為0時，就沒有微分控制作用了。同理，微分時間的選取，也是需要根據實際情況來確定的。
微分控制作用的特點是：動作迅速，具有超前調節功能，可有效改善被控對象有較大時間滯后的控制品質；但是它不能消除余差，尤其是對于恒定偏差輸入時，根本就沒有控制作用。因此，不能單獨使用微分控制規律。
比例和微分作用結合，比單純的比例作用更快。尤其是對容量滯后大的對象，可以減小動偏差的幅度，節省控制時間，顯著改善控制質量。
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：既有比例作用的及時迅速，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。
當偏差階躍出現時，微分立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時起消除偏差的作用，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。只要三個作用的控制參數選擇得當，便可充分發揮三種控制規律的優點，得到較為理想的控制效果。
比例系數P的調節范圍一般是：0.1--100.
如果增益值取 0.1，PID 調節器輸出變化為十分之一的偏差值。如果增益值取 100， PID 調節器輸出變化為一百倍的偏差值。
可見該值越大，比例產生的增益作用越大。初調時，選小一些，然后慢慢調大，直到系統波動足夠小，再調節積分或微分系數。過大的P值會導致系統不穩定，持續振蕩；過小的P值又會使系統反應遲鈍。合適的值應該使系統有足夠的靈敏度但又不會反應過于靈敏，一定時間的遲緩要靠積分時間來調節。
積分時間常數的定義是，偏差引起輸出增長的時間。積分時間設為 1秒，則輸出變化 100%所需時間為 1 秒。初調時要把積分時間設置長些，然后慢慢調小直到系統穩定為止。
微分值是偏差值的變化率。例如，如果輸入偏差值線性變化，則在調節器輸出側疊加一個恒定的調節量。大部分控制系統不需要調節微分時間。因為只有時間滯后的系統才需要附加這個參數。如果畫蛇添足加上這個參數反而會使系統的控制受到影響。如果通過比例、積分參數的調節還是收不到理想的控制要求，就可以調節微分時間。初調時把這個系數設小，然后慢慢調大，直到系統穩定。
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 控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是 依據系統的數學模型，經過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，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主 要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應 曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需 要在實際運行中進行最后調整與完善。現在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作；(2)僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩， 記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。 [1]
在實際調試中，只能先大致設定一個經驗值，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
參數整定找最佳，從小到大順序查
先是比例后積分，最后再把微分加
曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大
曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳
曲線偏離回復慢，積分時間往下降
曲線波動周期長，積分時間再加長
曲線振蕩頻率快，先把微分降下來
動差大來波動慢。微分時間應加長
理想曲線兩個波，前高后低4比1
一看二調多分析，調節質量不會低
