PID控(kong)制(zhi)及PID控(kong)制(zhi)的基(ji)本原(yuan)理(li)

 目(mu)前工業(ye)自(zi)動(dong)化水(shui)平已(yi)成為(wei)衡(heng)量(liang)各(ge)行(xing)各(ge)業(ye)現(xian)代化水(shui)平的(de)壹(yi)個(ge)重(zhong)要標(biao)誌(zhi)。同(tong)時(shi)，控(kong)制(zhi)理論(lun)的發(fa)展(zhan)也(ye)經歷了古典控(kong)制(zhi)理論(lun)、現(xian)代控(kong)制(zhi)理論(lun)和(he)智(zhi)能控(kong)制(zhi)理論(lun)三個(ge)階(jie)段。

        智能控(kong)制(zhi)的典型實例是模(mo)糊全(quan)自(zi)動(dong)洗衣機等。自(zi)動(dong)控(kong)制(zhi)系統可分為(wei)開(kai)環(huan)控(kong)制(zhi)系統和(he)閉環(huan)控(kong)制(zhi)系統。壹個(ge)控(kong)制(zhi)系統包括(kuo)控(kong)制(zhi)器﹑傳(chuan)感(gan)器﹑變(bian)送器(qi)﹑執行機構﹑輸入(ru)輸出(chu)接(jie)口(kou)。控(kong)制(zhi)器的(de)輸出(chu)經(jing)過(guo)輸出(chu)接(jie)口(kou)﹑執行機構﹐加到(dao)被控(kong)系統上﹔控(kong)制(zhi)系統的被控(kong)量﹐經(jing)過(guo)傳(chuan)感(gan)器﹐變(bian)送器(qi)﹐通(tong)過(guo)輸入(ru)接(jie)口(kou)送到(dao)控(kong)制(zhi)器。不(bu)同的控(kong)制(zhi)系統﹐其(qi)傳感(gan)器﹑變(bian)送器(qi)﹑執行機構是不壹樣(yang)的(de)。比(bi)如(ru)壓(ya)力(li)控(kong)制(zhi)系統要采用(yong)壓(ya)力(li)傳感(gan)器。電加熱控(kong)制(zhi)系統的傳(chuan)感(gan)器是溫(wen)度傳(chuan)感(gan)器。目前，PID控(kong)制(zhi)及其(qi)控(kong)制(zhi)器或(huo)智能PID控(kong)制(zhi)器(儀(yi)表)已經很(hen)多，產(chan)品(pin)已在(zai)工程(cheng)實際(ji)中(zhong)得(de)到(dao)了廣(guang)泛的(de)應用(yong)，有(you)各(ge)種(zhong)各(ge)樣(yang)的PID控(kong)制(zhi)器產(chan)品(pin)，各(ge)大(da)公司(si)均開(kai)發(fa)了(le)具(ju)有(you)PID參(can)數(shu)自(zi)整定功能的智(zhi)能調節器(inligent regulator)，其(qi)中(zhong)PID控(kong)制(zhi)器參(can)數(shu)的自(zi)動(dong)調整是通過(guo)智(zhi)能化調整或自(zi)校正(zheng)、自(zi)適(shi)應算法來實現(xian)。有(you)利(li)用(yong)PID控(kong)制(zhi)實現(xian)的壓(ya)力(li)、溫(wen)度、流量(liang)、液(ye)位(wei)控(kong)制(zhi)器，能實現(xian)PID控(kong)制(zhi)功能的可(ke)編(bian)程(cheng)控(kong)制(zhi)器(PLC)，還(hai)有(you)可(ke)實(shi)現(xian)PID控(kong)制(zhi)的PC系(xi)統等等。 可(ke)編程(cheng)控(kong)制(zhi)器(PLC) 是(shi)利用(yong)其(qi)閉環(huan)控(kong)制(zhi)模(mo)塊來實現(xian)PID控(kong)制(zhi)，而(er)可編(bian)程(cheng)控(kong)制(zhi)器(PLC)可(ke)以直接與(yu)ControlNet相(xiang)連，如(ru)Rockwell的PLC-5等。還(hai)有(you)可(ke)以(yi)實現(xian) PID控(kong)制(zhi)功能的控(kong)制(zhi)器，如(ru)Rockwell 的Logix產(chan)品(pin)系列(lie)，它(ta)可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)與(yu)ControlNet相(xiang)連，利用(yong)網絡(luo)來實現(xian)其(qi)遠程(cheng)控(kong)制(zhi)功能。 
　　1、開環(huan)控(kong)制(zhi)系統 
　　開環(huan)控(kong)制(zhi)系統(open-loop control system)是指(zhi)被控(kong)對象的(de)輸出(chu)(被控(kong)制(zhi)量)對控(kong)制(zhi)器(controller)的(de)輸出(chu)沒(mei)有(you)影響。在(zai)這種(zhong)控(kong)制(zhi)系統中(zhong)，不依(yi)賴將被控(kong)量反(fan)送回(hui)來以形(xing)成任何閉環(huan)回(hui)路。 
　　2、閉環(huan)控(kong)制(zhi)系統 
　　閉環(huan)控(kong)制(zhi)系統(closed-loop control system)的特點(dian)是系(xi)統被控(kong)對象的(de)輸出(chu)(被控(kong)制(zhi)量)會(hui)反送回(hui)來影響控(kong)制(zhi)器的(de)輸出(chu)，形(xing)成壹(yi)個(ge)或(huo)多個(ge)閉環(huan)。閉環(huan)控(kong)制(zhi)系統有(you)正(zheng)反(fan)饋和(he)負(fu)反饋，若(ruo)反(fan)饋信號與(yu)系(xi)統給定值信號相(xiang)反(fan)，則(ze)稱為(wei)負(fu)反(fan)饋( Negative Feedback)，若(ruo)極(ji)性(xing)相(xiang)同，則(ze)稱為(wei)正(zheng)反(fan)饋，壹(yi)般閉環(huan)控(kong)制(zhi)系統均采用(yong)負反(fan)饋，又(you)稱負(fu)反饋控(kong)制(zhi)系統。閉環(huan)控(kong)制(zhi)系統的例(li)子很(hen)多。比(bi)如(ru)人就(jiu)是壹個(ge)具(ju)有(you)負(fu)反(fan)饋的(de)閉環(huan)控(kong)制(zhi)系統，眼睛(jing)便是傳感(gan)器，充當反(fan)饋，人體(ti)系統能通過(guo)不(bu)斷的修(xiu)正(zheng)zui後(hou)作出各(ge)種(zhong)正確(que)的動(dong)作。如(ru)果(guo)沒有(you)眼睛(jing)，就沒有(you)了(le)反(fan)饋回(hui)路，也就(jiu)成了(le)壹(yi)個(ge)開(kai)環(huan)控(kong)制(zhi)系統。另例(li)，當壹(yi)臺(tai)真(zhen)正(zheng)的全(quan)自(zi)動(dong)洗衣機具(ju)有(you)能連續(xu)檢(jian)查衣物(wu)是否洗凈，並在(zai)洗凈(jing)之(zhi)後(hou)能自(zi)動(dong)切斷電源，它(ta)就(jiu)是(shi)壹(yi)個(ge)閉環(huan)控(kong)制(zhi)系統。 
　　3、階躍響應 
　　階躍響應是指將(jiang)壹(yi)個(ge)階(jie)躍輸入(ru)(step function)加到(dao)系統上時，系統的輸出(chu)。穩(wen)態誤差是指(zhi)系(xi)統的響應進(jin)入穩(wen)態後(hou)﹐系統的期(qi)望輸出(chu)與(yu)實(shi)際輸出(chu)之(zhi)差。控(kong)制(zhi)系統的性(xing)能可以(yi)用(yong)穩、準、快三(san)個(ge)字(zi)來描述(shu)。穩(wen)是指系(xi)統的穩(wen)定性(xing)(stability)，壹(yi)個(ge)系(xi)統要能正常工作，首先必(bi)須是穩(wen)定的，從(cong)階躍響應上看應該(gai)是(shi)收(shou)斂(lian)的﹔準是指(zhi)控(kong)制(zhi)系統的準確(que)性(xing)、控(kong)制(zhi)精(jing)度，通(tong)常用(yong)穩態(tai)誤差來(Steady-state error)描述(shu)，它(ta)表示系統輸出(chu)穩(wen)態值與(yu)期(qi)望值之(zhi)差(cha)﹔快是(shi)指控(kong)制(zhi)系統響應的快速性(xing)，通(tong)常用(yong)上升時間來定量描(miao)述(shu)。 
　　4、PID控(kong)制(zhi)的原(yuan)理(li)和(he)特點(dian) 
　　在(zai)工程(cheng)實際(ji)中(zhong)，應用(yong)的調節器控(kong)制(zhi)規律(lv)為(wei)比(bi)例、積分、微(wei)分控(kong)制(zhi)，簡稱(cheng)PID控(kong)制(zhi)，又(you)稱PID調節。PID控(kong)制(zhi)器問(wen)世至(zhi)今已(yi)有(you)近(jin)70年歷史，它(ta)以(yi)其(qi)結構簡單、穩定性(xing)好、工作可靠(kao)、調整方便而(er)成為(wei)工業(ye)控(kong)制(zhi)的主要(yao)技術(shu)之(zhi)壹。當被控(kong)對象的(de)結(jie)構和(he)參(can)數(shu)不能*掌握(wo)，或(huo)得(de)不(bu)到(dao)的數(shu)學(xue)模(mo)型時，控(kong)制(zhi)理論(lun)的其(qi)它(ta)技(ji)術(shu)難以采用(yong)時，系(xi)統控(kong)制(zhi)器的(de)結構和(he)參(can)數(shu)必須依靠(kao)經驗(yan)和(he)現(xian)場(chang)調試來確(que)定，這時(shi)應用(yong)PID控(kong)制(zhi)技術(shu)zui為方便。即當我(wo)們(men)不*了解壹個(ge)系(xi)統和(he)被控(kong)對象﹐或(huo)不(bu)能通過(guo)有(you)效(xiao)的(de)測(ce)量手段來獲得(de)系(xi)統參(can)數(shu)時，用(yong)PID控(kong)制(zhi)技術(shu)。PID控(kong)制(zhi)，實際(ji)中(zhong)也有(you)PI和(he)PD控(kong)制(zhi)。PID控(kong)制(zhi)器就(jiu)是根(gen)據(ju)系統的誤差，利用(yong)比(bi)例、積分、微(wei)分計算出(chu)控(kong)制(zhi)量進(jin)行控(kong)制(zhi)的。 
　　比(bi)例(P)控(kong)制(zhi) 
　　比(bi)例控(kong)制(zhi)是壹(yi)種(zhong)zui簡單(dan)的(de)控(kong)制(zhi)方式(shi)。其(qi)控(kong)制(zhi)器的(de)輸出(chu)與(yu)輸入(ru)誤差信號成比(bi)例關系(xi)。當僅有(you)比(bi)例控(kong)制(zhi)時系(xi)統輸出(chu)存(cun)在(zai)穩態(tai)誤差(Steady-state error)。 
　　積分(I)控(kong)制(zhi) 
　　在(zai)積分控(kong)制(zhi)中(zhong)，控(kong)制(zhi)器的(de)輸出(chu)與(yu)輸入(ru)誤差信號的(de)積分成正(zheng)比(bi)關系。對壹個(ge)自(zi)動(dong)控(kong)制(zhi)系統，如(ru)果(guo)在(zai)進(jin)入穩(wen)態後(hou)存在(zai)穩態(tai)誤差，則(ze)稱這(zhe)個(ge)控(kong)制(zhi)系統是有(you)穩(wen)態(tai)誤差的或(huo)簡(jian)稱有(you)差(cha)系(xi)統(System with Steady-state Error)。為了(le)消除(chu)穩(wen)態(tai)誤差，在(zai)控(kong)制(zhi)器中(zhong)必須引入(ru)“積分項(xiang)”。積分項(xiang)對誤差取(qu)決於時間的(de)積分，隨(sui)著(zhe)時(shi)間的(de)增加，積分項(xiang)會(hui)增(zeng)大(da)。這樣(yang)，即便誤差很小(xiao)，積分項(xiang)也(ye)會(hui)隨著時間的(de)增加而(er)加大(da)，它(ta)推(tui)動(dong)控(kong)制(zhi)器的(de)輸出(chu)增(zeng)大(da)使穩(wen)態誤差進(jin)壹步(bu)減小，直到(dao)等於零。因(yin)此(ci)，比(bi)例+積分(PI)控(kong)制(zhi)器，可(ke)以使系(xi)統在(zai)進(jin)入穩(wen)態後(hou)無穩(wen)態(tai)誤差。 
　　微分(D)控(kong)制(zhi) 
　　在(zai)微分控(kong)制(zhi)中(zhong)，控(kong)制(zhi)器的(de)輸出(chu)與(yu)輸入(ru)誤差信號的(de)微(wei)分(即(ji)誤差的變(bian)化率)成正(zheng)比(bi)關系。 自(zi)動(dong)控(kong)制(zhi)系統在(zai)克服(fu)誤差的調節過(guo)程(cheng)中(zhong)可能會出(chu)現(xian)振蕩(dang)甚至(zhi)失穩。其(qi)原(yuan)因(yin)是(shi)由於存在(zai)有(you)較(jiao)大(da)慣(guan)性(xing)組(zu)件(環(huan)節(jie))或有(you)滯(zhi)後(hou)(delay)組件(jian)，具(ju)有(you)抑(yi)制(zhi)誤差的作用(yong)，其(qi)變(bian)化總是落(luo)後(hou)於誤差的變(bian)化。解決的辦法是使抑(yi)制(zhi)誤差的作用(yong)的變(bian)化“超(chao)前(qian)”，即(ji)在(zai)誤差接近(jin)零(ling)時，抑(yi)制(zhi)誤差的作用(yong)就應(ying)該是(shi)零(ling)。這(zhe)就是(shi)說(shuo)，在(zai)控(kong)制(zhi)器中(zhong)僅引(yin)入(ru) “比(bi)例”項往(wang)往是不(bu)夠(gou)的，比(bi)例項的(de)作用(yong)僅是(shi)放大(da)誤差的幅(fu)值，而(er)目前(qian)需(xu)要(yao)增(zeng)加的(de)是(shi)“微(wei)分項(xiang)”，它(ta)能預測(ce)誤差變(bian)化的趨勢，這(zhe)樣(yang)，具(ju)有(you)比(bi)例+微分的(de)控(kong)制(zhi)器，就(jiu)能夠(gou)提前(qian)使抑(yi)制(zhi)誤差的控(kong)制(zhi)作用(yong)等於零，甚(shen)至(zhi)為(wei)負值，從(cong)而(er)避免了被控(kong)量的(de)嚴重(zhong)超(chao)調。所以對有(you)較(jiao)大(da)慣(guan)性(xing)或(huo)滯後(hou)的被控(kong)對象，比(bi)例+微分(PD)控(kong)制(zhi)器能改善(shan)系(xi)統在(zai)調節過(guo)程(cheng)中(zhong)的動(dong)態特性(xing)。 
　　5、PID控(kong)制(zhi)器的(de)參(can)數(shu)整定 
　　PID控(kong)制(zhi)器的(de)參(can)數(shu)整定是控(kong)制(zhi)系統設計的核(he)心內容。它(ta)是(shi)根(gen)據(ju)被控(kong)過(guo)程(cheng)的特性(xing)確(que)定PID控(kong)制(zhi)器的(de)比(bi)例系數(shu)、積分時(shi)間和(he)微(wei)分時(shi)間的(de)大(da)小。PID控(kong)制(zhi)器參(can)數(shu)整定的方法很多，概括(kuo)起(qi)來有(you)兩(liang)大(da)類(lei)：壹是(shi)理(li)論(lun)計算整(zheng)定法。它(ta)主要(yao)是依(yi)據(ju)系統的數(shu)學模(mo)型，經過(guo)理(li)論(lun)計算確(que)定控(kong)制(zhi)器參(can)數(shu)。這種(zhong)方法所得(de)到(dao)的計算數(shu)據(ju)未必(bi)可以(yi)直(zhi)接(jie)用(yong)，還必(bi)須通過(guo)工程(cheng)實際(ji)進(jin)行調整和(he)修(xiu)改(gai)。二(er)是(shi)工程(cheng)整定方法，它(ta)主要(yao)依賴工程(cheng)經驗(yan)，直接(jie)在(zai)控(kong)制(zhi)系統的試驗(yan)中(zhong)進(jin)行，且(qie)方法簡單、易於掌握(wo)，在(zai)工程(cheng)實際(ji)中(zhong)被廣(guang)泛采用(yong)。PID控(kong)制(zhi)器參(can)數(shu)的工程(cheng)整定方法，主要(yao)有(you)臨(lin)界(jie)比(bi)例法、反應曲線(xian)法和(he)衰(shuai)減(jian)法。三種(zhong)方法各(ge)有(you)其(qi)特點(dian)，其(qi)共(gong)同(tong)點(dian)都(dou)是通(tong)過(guo)試驗(yan)，然後(hou)按照工程(cheng)經驗(yan)公式(shi)對控(kong)制(zhi)器參(can)數(shu)進(jin)行整(zheng)定。但無論采用(yong)哪(na)壹(yi)種(zhong)方法所得(de)到(dao)的控(kong)制(zhi)器參(can)數(shu)，都(dou)需(xu)要(yao)在(zai)實際(ji)運(yun)行中(zhong)進(jin)行zui後(hou)調整與(yu)完善。現(xian)在(zai)壹般采用(yong)的是(shi)臨界(jie)比(bi)例法。利用(yong)該方法進(jin)行 PID控(kong)制(zhi)器參(can)數(shu)的整定步驟(zhou)如(ru)下：(1)首先預(yu)選擇壹(yi)個(ge)足(zu)夠(gou)短的(de)采樣(yang)周期(qi)讓系(xi)統工作﹔(2)僅加入(ru)比(bi)例控(kong)制(zhi)環(huan)節(jie)，直到(dao)系統對輸入(ru)的(de)階躍響應出現(xian)臨界(jie)振蕩(dang)，記下這時(shi)的(de)比(bi)例放大(da)系數(shu)和(he)臨(lin)界(jie)振蕩(dang)周期﹔(3)在(zai)壹定的控(kong)制(zhi)度下通過(guo)公式(shi)計算得(de)到(dao)PID控(kong)制(zhi)器的(de)參(can)數(shu)。