工控自動化之 PID自動控制器

ID:109770 · 發表于 2016-3-20 23:26

目前工業自動化水平已成為衡量各行各業現代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發展也經歷了古典控制理論、現代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統可分為開環控制系統和閉環控制系統。一個控制系統包括控制器、傳感器、變送器、執行機構、輸入輸出接口。控制器的輸出經過輸出接口、執行機構，加到被控系統上；控制系統的被控量，經過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統，其傳感器、變送器、執行機構是不一樣的。比如壓力控制系統要采用壓力傳感器。電加熱控制系統的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器產品，各大公司均開發了具有PID參數自整定功能的智能調節器 (intelligent regulator)，其中PID控制器參數的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現。有利用PID控制實現的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現PID控制的PC系統等等。可編程控制器(PLC) 是利用其閉環控制模塊來實現PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實現 PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網絡來實現其遠程控制功能。
1開環控制系統
指被控對象的輸出（被控量）對控制器的輸出沒有影響。在這種控制系統總，不依賴將被控量反送回來形成任何閉合回路。
2閉環控制系統
指被控量會返回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環。閉環有正反饋的和負反饋，若反饋信號與系統給定值信號相反，則稱為負反饋；若極性相同，為正反饋信號。（一般閉環控制系統均采用負反饋，又稱：負反饋控制系統。例如人的動作與眼睛，自動洗衣機等等）
3階躍響應
階躍響應是指將一個輸入加到系統上時，系統的輸出。
穩態誤差是指系統的響應進入穩態后，系統的期望輸出值與實際輸出之差。
4PID的控制原理和特點
工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，
當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。
比例 P 控制
控制器的輸出和輸入誤差信號成正比關系。當今有比例控制是系統輸出存在穩態誤差。
積分 I 控制
控制器的輸出與輸入誤差信號的積分稱正比關系。
如果一個在進入穩態后存在穩態誤差，則這個系統為有差系統。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大，這樣即便誤差很小，積分項也會隨著時間增加而增大，他推動控制器輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于0。
因此，比例加積分（PI）控制器，可以使系統在進入穩態后無穩定誤差。
微分（D）控制
控制器輸出與輸入誤差信號的微分（既誤差變化率）成正比關系。
自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。
5、PID控制器的參數整定
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。

　　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
現實比例后積分，最后再將微分加
曲線震蕩很頻繁，比例度盤要放大
曲線漂浮繞大彎，比例盤度往小扳
曲線偏離恢復慢，積分時間往下降
曲線波動周期長，積分時間再加長
曲線震蕩頻率快，下吧微分降下來
動差大來波動慢，微分時間按應加長
一看二調多分析，調節質量不會低
PID與自適應PID區別：、
首先弄清楚什么是自適應控制

　　在生產過程中為了提高產品質量，增加產量，節約原材料，要求生產管理及生產過程始終處于最優工作狀態。因此產生了一種最優控制的方法，這就叫自適應控制。在這種控制中要求系統能夠根據被測參數，環境及原材料的成本的變化而自動對系統進行調節，使系統隨時處于最佳狀態。自適應控制包括性能估計（辨別）、決策和修改三個環節。它是微機控制系統的發展方向。但由于控制規律難以掌握，所以推廣起來尚有一些難以解決的問題。

　　加入自適應的pid控制就帶有了一些智能特點，像生物一樣能適應外界條件的變化。

　　還有自學習系統，就更加智能化了。

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