1、PID控制綜述 摘 要: 簡要回顧了PID 控制器的發(fā)展歷程,綜述了PID 控制的基礎理論。對PID控制今后的發(fā)展進行了展望。重點介紹了比例、積分、微分基本控制規(guī)律，及其優(yōu)、缺點。關 鍵 詞: PID控制器 PID控制 控制 回顧 展望1 PID 控制的發(fā)展歷程回顧 按偏差的比例(Proportion)、積分(Integral)、微分(Derivative)控制,簡稱PID控制。 PID控制是過程控制中廣泛應用的一種控制。 PID控制器早在30年代末期就已出現。PID 控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一1。經過50多年來的不

2、斷更新換代，PID控制得到了長足的發(fā)展。特別是近年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，發(fā)生了由模擬PID控制到數字PID控制的重大轉變。與此同時還涌現出了許多新型PID控制算法和控制方式。例如，非線性PID控制、自適應控制、最優(yōu)控制、預測控制、魯棒控制和智能控制等等2。2 PID 控制原理PID 控制在工業(yè)控制中應用廣泛, 是一種發(fā)展非常早的控制策略。它算法簡單, 魯棒性好, 可靠性高。當PID 控制用計算機實現后, 數字PID 更顯示出其參數調整靈活, 算法變化多樣, 簡單方便等優(yōu)點。PID 控制的原理3是根據給定值與實際輸出值之間的偏差來進行控制的。PID控制系統(tǒng)原理4,5框圖: 圖2 PID控

3、制結構框圖其控制規(guī)律為:其中 為控制量, 為偏差, 分別為比例常數、微分常數,積分常數。在利用計算機實現時, 常用其離散形式:其中為的離散形式2.1 比例環(huán)節(jié): 即成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號, 系統(tǒng)偏差一旦產生, 調節(jié)器立即產生與其成比例的控制作用, 以減小偏差。 比例控制反映快, 但對某些系統(tǒng), 可能存在穩(wěn)態(tài)誤差。 加大比例系數, 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小, 但穩(wěn)定性可能變差。2.2 積分環(huán)節(jié): 積分的控制作用主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差, 提高系統(tǒng)的無差度。 積分作用的強弱取決于積分時間常數, 越大, 積分速度越慢, 積分作用越弱, 反之則越強。 積分環(huán)節(jié)可能使系統(tǒng)的頻帶變窄。 積分控制通常與其它控

4、制規(guī)律結合, 組成PI 控制器或PID 控制器。 2.3 微分環(huán)節(jié): 微分的作用是能反映偏差信號的變化速率, 具有預見性, 能預見偏差信號的變化趨勢, 并能在偏差信號的值變得太大之前, 在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號, 從而加快系統(tǒng)的響應速度, 減少超調, 減小調節(jié)時間。 由于微分反映的是變化率, 所以當輸入沒有變化時, 微分環(huán)節(jié)的輸出為零。 微分控制通常與其它控制規(guī)律結合,組成PD 或PID 控制器 1, 2 。2.4簡單的說, PID 調節(jié)器各環(huán)節(jié)的作用如下所述:設計原理圖如圖2.4 所示。 原理圖的下半部分是一個模糊PID控制器。模糊PID控制器FC7（fuzzy controlle

5、r）PID控制器是一種復合控制器。其優(yōu)點是不需要掌握受控對象的數學模型, 而根據人工控制經驗組織控制決策表, 然后由該表決定控制量的大小。將模糊控制和PID 控制兩者結合起來, 揚長避短,既具有模糊控制的靈活性, 又具有PID 控制精度高的特點。原理圖的上半部分是這套系統(tǒng)的自適應部分。它由性能評價, 總對象增量模型和PID 參數自學習三部分組成。通過性能評價, 可以了解目前情況下已有的PID 參數能否達到要求。反饋模型可以將系統(tǒng)性能評價的結果折合到對被控對象的修正量上去。于是PID參數自學習部分就可以有效地調整PID 控制器中的三個參數8。3 PID 控制的評價3.1 到目前為止，PID控制仍

6、然是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。這是因為PID控制具有如下優(yōu)點1。 1) PID控制原理簡單，使用方便，并且已經形成了一套完整的參數設計和參數整定方法，很容易為工程技術人員所掌握。 2) PID控制算法蘊涵了動態(tài)控制過程中過去、現在和將來的主要信息。通過對比例系數、積分時間常數和微分時間常數的適當調整，可以達到良好的控制效果。 3) PID控制適應性強，可以廣泛用于電氣傳動、伺服控制、化工、冶金、煉油、以及加工制造等多個生產部門。 4) PID控制魯棒性較強，即其控制品質對控制對象特性的變化不十分敏感。 5) PID控制可以根據不同的需要，針對自身的缺陷進行改進，并形成了一系列改進的算

7、法。正是由于PID控制具有上述許多優(yōu)點，使得它仍然是在電氣傳動和過程控制中應用最廣泛的基本控制方式1。盡管各種高級控制在不斷完善, 目前化工生產中應用最多的仍是常規(guī)PID 控制, 究其原因: 一是各種高級控制應用上還不完善, 二是多數化工場合使用常規(guī)PID 控制即可以滿足需要, 三是企業(yè)技術人員對高級控制難以掌握。PID 控制器的結構簡單, 參數易于調整, 在長期的工程實踐中, 已經積累了豐富的經驗。 特別是在化工過程控制中, 由于控制對象的精確數學模型難以建立, 系統(tǒng)參數又經常發(fā)生變化, 常采用PID 控制器, 并根據經驗進行在線整定。 隨著計算機技術的發(fā)展, 特別是DCS 的廣泛應用, P

8、ID 控制已能用微機方便地實現。 由于計算機軟件的靈活性, PID 算法可以得到改進而更加完善, 并可與其它控制規(guī)律結合在一起, 產生更好的控制效果。 3.2 數字控制與模擬控制相比，雖然優(yōu)點突出，但仍存在著以下不足之處： I)模擬控制屬于連續(xù)控制方式，即控制作用每時每刻都在進行，而數字控制屬于離散控制方式，即控制量在一個采樣周期內是不變化的。 2）由于計算機的數值運算和輸入輸出需要一定的時間，所以控制作用在時間上存在延遲。 3)數字控制系統(tǒng)一旦受到噪聲的嚴重影響，控制作用可能導致失敗。 為此，必須發(fā)揮計算機運算速度快、邏輯判斷功能強、編程靈活等優(yōu)勢。這樣才能建立許多模擬控制器難以實現的特殊控

9、制規(guī)律，從而在控制性能上超過模擬控制器。為了改善 PID數字控制器的控制質量，目前已在 PID數字控制算法中引進了許多改進措施，形成了多種形式的改進 PID算法。隨著數字控制技術的發(fā)展，數字式PID控制己經得到了越來越廣泛的應用。 4 PID 控制的展望經過幾代研究和工程人員的努力, PID 及基于PID 的各種改進型的控制器( 統(tǒng)稱為PID 型控制器) 的研究和應用已相當成熟, 是當前控制工程的主流控制器, 其實用性和有效性均毋庸置疑。但是PID型控制器仍有許多不足和需要進一步改進之處, 特別是把PID 型控制器用于復雜對象( 主要是時延較大、參數時變較快、不確定性明顯和非線性嚴重) 的控制

10、時, 控制質量還比較差。通過對PID控制結構的一些改進來提高控制性能。如對積分環(huán)節(jié)的改進, 得到積分分離PID 控制算法、遇限削弱積分PID 控制算法等; 對微分環(huán)節(jié)進行改進, 得到不完全微分PID 控制算法、微分先行PID 控制算法、帶死區(qū)的PID 控制算法等。它們在不同程度上克服了傳統(tǒng)PID 控制的缺點。積分分離算法克服了積分飽和, 可以顯著降低系統(tǒng)的超調, 縮短過渡時間。因此, 如何成功地把PID 型控制器用于復雜對象的控制,如何在理論上, 對基于軟計算科學的各類模型, 如模糊模型、粗集模型、小波模型、運動模式模型、非參數預測模型、疊代學習模型、專家系統(tǒng)模型以及其它人工智能模型等的工作機

11、理進行更深刻的認識, 使智能PID控制器的設計方法更趨于結構化, 從而構造出更快、更正確的自適應機制, 并與上述作為底層的魯棒PID 控制器整合成更有效的智能自適應PID 控制器, 無疑是當前解決復雜系統(tǒng)控制的重要而切實可行的研究方向之一。而隨著控制理論和計算機軟硬件技術的不斷發(fā)展和傳感器集成化程度的提高, 智能PID控制必將是極有發(fā)展前途的研究和應用方向9。 參考文獻1 施春寧 張中華 王濤 談PID控制的理論分析J 山西建筑（機械與設備） 2012，38（3）：238-2392 王 蕾 宋文忠 PID控制J 自動化儀表 2004,25.43 李玲琪 李誠 周航 實用PID 控制算法的改進及其編程技巧J 黑龍江電子技術 1998,34 陶永華 新型PID控制及其應用 M . 北京: 機械工業(yè)出版社, 2002.5 趙國山 仇性啟 自適應PID的發(fā)展概況J 化工自動化及儀表, 2006, 33( 5): 1-57 羅小青 黃云奇 基于PID Fuzz