PID控制P(Proportional,比例);I(Integrative,積分);D(Derivative,微分),它的的含義是將�(jīng)過反饋后得到的誤差信號分別進行比例、積分和微分運算后再疊加得到控制�輸出信號。這種控制方式適合相當多的被控對象,目前仍然廣泛地運用于多�(shù)自動控制系統(tǒng)�
它由于用途廣�、使用靈活,已有系列化產(chǎn)�,使用中只需設定三個參�(shù)(Kp� Ti和Td)即可。在很多情況�,并不一定需要全部三個單�,可以取其中的一到兩個單�,但比例控制單元是必不可少的� 首先,PID應用范圍�。雖然很多工�(yè)過程是非線性或時變�,但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng),這樣PID就可控制�� 其次,PID參數(shù)較易整定。也就是,PID參數(shù)Kp,Ti和Td可以根據(jù)過程的動�(tài)特性及時整�。如果過程的動態(tài)特性變�,例如可能由負載的變化引起系�(tǒng)動態(tài)特性變�,PID參數(shù)就可以重新整�� 第三,PID控制器在實踐中也不斷的得到改�,下面兩個改進的例子� 在工廠,總是能看到許多回路都處于手動狀�(tài),原因是很難讓過程在“自動”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足,采用PID的工�(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)�、安全、產(chǎn)量和能源浪費等問題的困擾。PID參數(shù)自整定就是為了處理PID參數(shù)整定這個問題而產(chǎn)生的?,F(xiàn)�,自動整定或自身整定的PID控制器已是商�(yè)單回路控制器和分散控制系�(tǒng)的一個標準� 在一些情況下針對特定的系�(tǒng)設計的PID控制器控制得很好,但它�?nèi)源嬖谝恍﹩栴}需要解決: 如果自整定要以模型為基礎,為了PID參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難�。閉�(huán)工作�,要求在過程中插入一個測試信號。這個方法會引起擾動,所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應用不是太好� 如果自整定是基于控制律的,經(jīng)常難以把由負載干擾引起的影響和過程動�(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開�,因此受到干擾的影響控制器會�(chǎn)生超�(diào),產(chǎn)生一個不必要的自適應�(zhuǎn)�。另�,由于基于控制律的系�(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法,參數(shù)整定可靠與否存在很多問題� 因此,許多自身整定參�(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀�(tài)確定的簡單過程模型自動計算PID參數(shù)� PID在控制非線性、時變、耦合及參�(shù)和結(jié)�(gòu)不確定的復雜過程�,工作地不是太好。最重要的是,如果PID控制器不能控制復雜過�,無論怎么�(diào)參數(shù)都沒用� 雖然有這些缺點,PID控制器是最簡單的有時卻是的控制�
在工程實際中,應用最為廣泛的�(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積�、微分控�,簡稱PID控制,又稱PID�(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷�,它以其�(jié)�(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可�、調(diào)整方便而成為工�(yè)控制的主要技�(shù)之一。當被控對象的結(jié)�(gòu)和參�(shù)不能完全掌握,或得不到精確的�(shù)學模型時,控制理論的其它技�(shù)難以采用�,系�(tǒng)控制器的�(jié)�(gòu)和參�(shù)必須依靠�(jīng)驗和�(xiàn)場調(diào)試來確定,這時應用PID控制技�(shù)最為方�。即當我們不完全了解一個系�(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)�,最適合用PID控制技�(shù)。PID控制,實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根�(jù)系統(tǒng)的誤�,利用比�、積分、微分計算出控制量進行控制��
1、比例(P)控� :比例控制是一種最簡單的控制方�。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例�(guān)系。當僅有比例控制時系�(tǒng)輸出存在�(wěn)�(tài)誤差(Steady-state error��
比例�(diào)節(jié)作用:是按比例反應系�(tǒng)的偏�,系統(tǒng)一旦出�(xiàn)了偏�,比例�(diào)節(jié)立即�(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快�(diào)節(jié),減少誤差,但是過大的比�,使系�(tǒng)的穩(wěn)定性下�,甚至造成系統(tǒng)的不�(wěn)��
2、積分(I)控� :在積分控制�,控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比�(guān)�。對一個自動控制系�(tǒng),如果在進入�(wěn)�(tài)后存在穩(wěn)�(tài)誤差,則稱這個控制系�(tǒng)是有�(wěn)�(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)(System with Steady-state Error�。為了消除穩(wěn)�(tài)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�,隨著時間的增加,積分項會增�。這樣,即便誤差很�,積分項也會隨著時間的增加而加大,它推動控制器的輸出增大使�(wěn)�(tài)誤差進一步減�,直到等于零。因�,比�+積分(PI)控制�,可以使系統(tǒng)在進入�(wěn)�(tài)后無�(wěn)�(tài)誤差�
積分�(diào)節(jié)作用:是使系�(tǒng)消除�(wěn)�(tài)誤差,提高無差�。因為有誤差,積分�(diào)節(jié)就進行,直至無差,積分�(diào)節(jié)停止,積分�(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常�(shù)Ti,Ti越小,積分作用就越�。反之Ti大則積分作用�,加入積分�(diào)節(jié)可使系統(tǒng)�(wěn)定性下�,動態(tài)響應變慢。積分作用常與另兩種�(diào)節(jié)�(guī)律結(jié)�,組成PI�(diào)節(jié)器或PID�(diào)節(jié)��
3、微分(D)控� :在微分控制�,控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系� 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的�(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(�(huán)節(jié))或有滯�(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�,而目前需要增加的是“微分項”,它能預測誤差變化的趨�,這樣,具有比�+微分的控制器,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于�,甚至為負�,從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對�,比�+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特��
微分�(diào)節(jié)作用:微分作用反映系�(tǒng)偏差信號的變化率,具有預見�,能預見偏差變化的趨勢,因此能產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分�(diào)節(jié)作用消除。因�,可以改善系統(tǒng)的動�(tài)性能。在微分時間選擇合適情況�,可以減少超調(diào),減少�(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作�,因此過強的加微分�(diào)節(jié),對系�(tǒng)抗干擾不�。此�,微分反應的是變化�,而當輸入沒有變化�,微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使�,需要與另外兩種�(diào)節(jié)�(guī)律相�(jié)�,組成PD或PID控制�
1、開�(huán)控制系統(tǒng)
開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對象的輸�(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影�。在這種控制系統(tǒng)�,不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路�
2、閉�(huán)控制系統(tǒng)
閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸�(被控制量)會反送回來影響控制器的輸�,形成一個或多個閉�(huán)。閉�(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋,若反饋信號與系�(tǒng)給定值信號相反,則稱為負反饋( Negative Feedback),若極性相同,則稱為正反饋,一般閉�(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋,又稱負反饋控制系統(tǒng)。閉�(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個具有負反饋的閉�(huán)控制系統(tǒng),眼睛便是傳感器,充當反�,人體系�(tǒng)能通過不斷的修正作出各種正確的動作。如果沒有眼�,就沒有了反饋回路,也就成了一個開�(huán)控制系統(tǒng)。另�,當一臺真正的全自動洗衣機具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈,并在洗凈之后能自動切斷電源,它就是一個閉�(huán)控制系統(tǒng)�
3、階躍響�
階躍響應是指將一個階躍輸入(step function)加到系�(tǒng)上時,系�(tǒng)的輸�。穩(wěn)�(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應進入�(wěn)�(tài)后﹐系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差??刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定�(stability),一個系�(tǒng)要能正常工作,首先必須是�(wěn)定的,從階躍響應上看應該是收斂的﹔準是指控制系統(tǒng)的準確�、控制精�,通常用穩(wěn)�(tài)誤差�(Steady-state error)描述,它表示系統(tǒng)輸出�(wěn)�(tài)值與期望值之差﹔快是指控制系�(tǒng)響應的快速�,通常用上升時間來定量描述�
目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)�(xiàn)代化水平的一個重要標�。同�,控制理論的�(fā)展也�(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階�。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系�(tǒng)可分為開�(huán)控制系統(tǒng)和閉�(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系�(tǒng)包括控制�、傳感器、變送器、執(zhí)行機�(gòu) 、輸入輸出接�??刂破鞯妮敵�?jīng)過輸出接�、執(zhí)行機�(gòu),加到被控系�(tǒng)上;控制系統(tǒng)的被控量,經(jīng)過傳感器,變送器,通過輸入接口送到控制�。不同的控制系統(tǒng),其傳感�、變送器、執(zhí)行機�(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系�(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目�,PID控制及其控制器或智能PID控制器(儀表)已經(jīng)很多,產(chǎn)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(chǎn)品,各大公司均開�(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能�(diào)節(jié)� (intelligent regulator),其中PID控制器參�(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應算法來實�(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓�、溫�、流量、液位控制器,能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制�(PLC),還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等� 可編程控制器(PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來實�(xiàn)PID控制,而可編程控制�(PLC)可以直接與ControlNet相�,如Rockwell的PLC-5�。還有可以實�(xiàn) PID控制功能的控制器,如Rockwell 的Logix�(chǎn)品系�,它可以直接與ControlNet相�,利用網(wǎng)絡來實現(xiàn)其遠程控制功��
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