PID控制器參數(shù)自整定技術(shù)分析

王學(xué)華

摘要:文章介紹PID控制的基本理論,包括基本原理、算法以及特點;控制規(guī)律以及采樣周期的選擇;介紹PID控制器各個參數(shù)的性能以及控制器的分類等問題,為今后求PID控制器參數(shù)的自整定技術(shù),以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:PID控制,控制性能,整定方法

中圖分類號:TM762 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-8937(2009)24-0021-02

按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器(簡稱PID調(diào)節(jié)器、也稱PID控制器)。由于其算法簡單、魯棒性能好、可靠性高等優(yōu)點,PID控制策略被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中。.而實際生產(chǎn)過程中往往具有非線性、不確定性,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用常規(guī)的PID控制器難以達(dá)到理想的控制效果在實際生產(chǎn)過程中,由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾,常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳,對運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性較差[1]。針對上述問題,長期以來,人們一直在尋求PID控制器參數(shù)的自整定技術(shù),以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。

1PID控制基本原理

PID控制器本身是一種基于對“過去”、“現(xiàn)在”和“未來”信息估計的簡單控制算法。系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對象組成。作為一種線性控制器,它根據(jù)給定值和實際輸出值構(gòu)成控制偏差,將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量,對被控對象進(jìn)行控制,故稱PID控制器。在連續(xù)控制系統(tǒng)中,P1D控制器的輸出u(t)與輸入e(t)之間成比例、積分、微分的關(guān)系[2]。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中,使用比較普遍的也是PID控制策略。

1.1 PID控制器參數(shù)對控制性能的影響

①比例作用。比例作用的引入是為了及時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t),以最快速度產(chǎn)生控制作用,使偏差向減小的趨勢變化。首先,對動態(tài)特性的影響來看,比例控制參數(shù)Kc加大,使系統(tǒng)的動作靈敏,速度加快,Kc偏大,振蕩次數(shù)加多,調(diào)節(jié)時間加長。當(dāng)Kc太大時,系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定,若Kc太小,又會使系統(tǒng)的動作緩慢。其次,對穩(wěn)態(tài)特性的影響來看,加大比例系數(shù)Kc,在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下,可以減小穩(wěn)態(tài)誤差ess,提高控制精度,但是加大Kc只是減少ess,卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。

在PID控制的閉環(huán)系統(tǒng)中,對于設(shè)定值的變化和外擾的響應(yīng)是不同的,在工程應(yīng)用上對兩者的性能要求也有所不同,對設(shè)定值的變化一般要求滿足一定的前提條件,如無超調(diào)下的快速跟蹤;對外擾則希望閉環(huán)系統(tǒng)在具有一定衰減比的情況下快速克服。

②積分作用。積分作用的引入,主要是為了保證被控量在穩(wěn)態(tài)時對設(shè)定值的無靜差跟蹤,它對系統(tǒng)的性能影響可以體現(xiàn)在以下兩方面:首先對動態(tài)特性的影響來看,積分作用通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。如果積分時間Ti太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定,Ti偏小,振蕩次數(shù)較多;如果Ti太大,對系統(tǒng)性能的影響減少,當(dāng)Ti合適時,過渡特性比較理想。其次,對穩(wěn)態(tài)特性的影響來看,積分作用能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,提高控制系統(tǒng)的控制精度。但是Ti太大時,積分作用太弱,以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。

③微分作用。微分作用通常與比例作用或積分作用聯(lián)合作用,構(gòu)成PID控制或者PID控制。微分作用的引入,主要是為了改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性,如使超調(diào)量較小,調(diào)節(jié)時間縮短,允許加大比例控制,使穩(wěn)態(tài)誤差減小,提高控制精度。當(dāng)微分時間Td偏大時,超調(diào)量較大,調(diào)節(jié)時間較長;當(dāng)Td偏小時,超調(diào)量也較大,調(diào)節(jié)時間也較長;只有合適時,可以得到比較滿意的過渡過程。直觀地分析,假設(shè)被控對象存在一定的慣性,微分作用將使得控制作用與被控量,與偏差量未來變化趨勢之間形成近似的比例關(guān)系。從頻域分析的角度講,微分作用等效于一個高通濾波器,即有可能在控制輸出中引入較強(qiáng)的高頻噪聲,這是實際控制所不希望的。

1.2 PID控制算法特點

PID這樣簡單的控制器,能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對象,并仍以很高的性價比在市場中占據(jù)著重要地位,充分地反映了PID控制器的良好品質(zhì)?？偟膩碚f,PID控制的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下兩個方面:①原理簡單、結(jié)構(gòu)簡明、實現(xiàn)方便,是一種能夠滿足大多數(shù)實際需要的基本控制器;②控制器適用于多種截然不同的對象,算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性。

確切地說,在很多情況下其控制品質(zhì)對被控對象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)攝動不敏感。但從另一方面來講,控制算法的普適性也反映了PID控制器在控制品質(zhì)上的局限性。具體分析,其局限性主要來自以下幾個方面:首先,算法結(jié)構(gòu)的簡單性決定了PID控制比較適用于SISO最小相位系統(tǒng),在處理大時滯、開環(huán)不穩(wěn)定過程等難控對象時,需要通過多個PID控制器或與其他控制器的組合,才能得到較好的控制效果。其次,算法結(jié)構(gòu)的簡單性同時決定了PID控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點;閉環(huán)特性從根本上只是基于動態(tài)特性的低階近似假定的。第四,出于同樣的原因,決定了單一PID控制器無法同時滿足對假定設(shè)定值控制和伺服/跟蹤控制的不同性能要求。

1.3控制規(guī)律的選擇

PID控制器參數(shù)整定的目的就是按照己定的控制系統(tǒng),求得控制系統(tǒng)質(zhì)量最佳的調(diào)節(jié)性能。合適的PID參數(shù)整定可以提高自控投用率,增加裝置操作的平穩(wěn)性。對于不同的對象,閉環(huán)系統(tǒng)控制性能的不同要求,通常需要選擇不同的控制方法,控制器結(jié)構(gòu)等;PID控制參數(shù)Kp、Tl、Td相互獨(dú)立,參數(shù)整定比較方便:PID算法比較簡單,計算工作量比較小,容易實現(xiàn)多回路控制。但使用中要根據(jù)對象特性,負(fù)載情況,合理選擇控制規(guī)律以達(dá)到最佳控制。大致上,系統(tǒng)控制規(guī)律的選擇主要有下面幾種情況:①對于一階慣性的對象,如果負(fù)荷變化不大,工藝要求不高,可采用比例控制。例如,用于壓力、液位、串級副控回路等。②對于一階慣性與純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)的對象,如果負(fù)荷變化不大,控制要求精度較高,可采用比例積分控制。例如,用于液壓、流量、液位的控制。③對于純滯后時問較大,負(fù)荷變化也較大,控制性能要求較高的場合,可采用比例積分微分控制。例如,用于過熱蒸汽溫度控制,pH值控制。④對于二階以上慣性與純滯環(huán)節(jié)串聯(lián)的對象,負(fù)荷變化也較大,控制性能要求較高時,應(yīng)采用串級控制、前饋-反饋、前饋-串級或純滯后補(bǔ)償控制。例如,用于電機(jī)的調(diào)速控制。

2PID參數(shù)整定方法分類

在長期的工程實踐中,人們已經(jīng)積累了有關(guān)如何用好PID控制策略的豐富經(jīng)驗。特別是在工業(yè)過程控制中,由于控制對象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立,系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化,運(yùn)用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行分析、綜合要耗費(fèi)很大代價進(jìn)行模型辯識,且往往不能得到預(yù)期的效果,所以人們常用PID調(diào)節(jié)器,并根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行參數(shù)整定。同其它控制方法一樣,幾十年來,PID控制的參數(shù)整定方法和技術(shù)也處于不斷發(fā)展中,特別是近年來,國際自動控制領(lǐng)域?qū)ID控制的參數(shù)整定方法的研究仍在繼續(xù),許多重要國際雜志不斷發(fā)表新的研究成果,PID控制的參數(shù)整定方法和技術(shù)也處于不斷發(fā)展中。

自Ziegler-Nichols提出PID參數(shù)整定方法以來,許多技術(shù)己經(jīng)被應(yīng)用于PID控制器的手動和自動整定中。其中單變量PID參數(shù)整定方法包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法,多變量PID參數(shù)整定方法是最近研究的熱點及難點;線性PID參數(shù)整定方法適用于經(jīng)典PID調(diào)節(jié)器,非線性PID參數(shù)整定方法適用于由非線性跟蹤微分器和非線性組合方式生成的非線性PD控制器。

目前,在眾多的整定方法中,主要有兩種方法在實際工業(yè)過程中應(yīng)用較好。一種是基于模式識別的參數(shù)整定方法(基于規(guī)則),另一種是基于繼電器反饋的參數(shù)整定方法(基于模型)。這些技術(shù)極大地簡化了PID控制器的使用,顯著改進(jìn)了它的性能,它們被統(tǒng)稱為自適應(yīng)智能控制技術(shù)。

3結(jié)語

隨著控制理論與技術(shù)的發(fā)展以及計算機(jī)技術(shù)所能提供的更強(qiáng)大的分析處理手段,PID控制及參數(shù)的智能化整定將會在控制領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。