什么是PID控制?PID控制器有什么优点?

在过程控制中,按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(也称PID调节器)是应用最广泛的一种自动控制器。

它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数选定比较简单、调整方便等优点;而且在理论上可以证明,对于过程控制的典型对象——“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象,PID控制器是一种最优控制。

PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法,它的参数整定方式简便,结构改变灵活(如可为PI调节、PD调节等)。长期以来,PID控制器被广大科技人员及现场操作人员所采用,并积累了大量的经验。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制。

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,或控制理论的其他技术难以采用时,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。即当人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,最适合采用PID控制技术。

(1)比例(P)控制

比例控制是一种最简单、最常用的控制方式,如放大器、减速器和弹簧等。

比例控制器能立即成比例地响应输入的变化量。但仅有比例控制时,系统输出存在稳态误差(Steady-state Error)。P就是比例,就是输入偏差乘以一个系数;成比例地反映系统的偏差信号,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差。响应速度快,有利于系统稳定。

(2)积分(I)控制

在积分控制中,控制器的输出量是输入量对时间的积累。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”。积分项对误差的运算取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。所以即便误差很小,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,采用比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。其作用就是对输入偏差进行积分运算;主要是消除偏差、提高系统的准确性。

(3)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。其原因是存在有较大的惯性组件(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。微分项对输入偏差进行微分运算;能反映系统偏差信号的变化趋势,在偏差信号变化太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间,提高系统的快速性。

(4)闭环控制系统特点

控制系统一般包括开环控制系统和闭环控制系统。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,不依赖将被控制量返送回来以形成任何闭环回路。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)会返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。可见,闭环控制系统性能远优于开环控制系统。

(5)PID控制器的主要优点

PID控制器成为应用最广泛的控制器,它具有以下优点。

①PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在、将来的主要信息,而且其配置几乎最优。

其中,比例(P)代表了当前的信息,起纠正偏差的作用,使过程反应迅速。微分(D)在信号变化时有超前控制作用,代表将来的信息。在过程开始时强迫过程进行,过程结束时减小超调,克服振荡,提高系统的稳定性,加快系统的过渡过程。积分(I)代表了过去积累的信息,它能消除静差,改善系统的静态特性。此三种作用配合得当,可使动态过程快速、平稳、准确,收到良好的效果。

②PID控制适应性好,有较强的鲁棒性,对各种工业应用场合,都可在不同的程度上应用。

特别适于“一阶惯性环节+纯滞后”和“二阶惯性环节+纯滞后”的过程控制对象。

③PID算法简单明了,各个控制参数较为独立,参数的选定较为简单,形成了完整的设计和参数调整方法,很容易为工程技术人员所掌握。

④PID控制根据不同的要求,针对自身的缺陷进行了不少改进,形成了一系列改进的PID算法。

例如,为了克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制,为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分分离控制,为补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制等。这些改进算法在一些应用场合取得了很好的效果。同时当今智能控制理论的发展,又形成了许多智能PID控制方法。

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