PID控制簡介

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（intelligentregulator），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。

PID控制器的參數整定

PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。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。

PID控制器參數的工程整定，各種調節系統中PID參數經驗數據以下可參照：

溫度T： P=20~60%，T=180~600s，D=3-180s

壓力P： P=30~70%，T=24~180s，

液位L： P=20~80%，T=60~300s，

流量L： P=40~100%，T=6~60s。

PID常用口訣：

參數整定找最佳，從小到大順序查

先是比例后積分，最后再把微分加

曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大

曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳

曲線偏離回復慢，積分時間往下降

曲線波動周期長，積分時間再加長

曲線振蕩頻率快，先把微分降下來

動差大來波動慢。微分時間應加長

理想曲線兩個波，前高后低4比1

一看二調多分析，調節質量不會低

PID參數的設定：是靠經驗及工藝的熟悉，參考測量值跟蹤與設定值曲線，從而調整PID的大小。

PID調節經驗

Kp： 比例系數 ----- 比例帶（比例度）P：輸入偏差信號變化的相對值與輸出信號變化的相對值之比的百分數表示 （比例系數的倒數）

T：采樣時間

Ti： 積分時間

Td： 微分時間

溫度T： P=20~60%，Ti=180~600s，Td=3-180s

壓力P： P=30~70%，Ti=24~180s，

液位L： P=20~80%，Ti=60~300s，

流量L： P=40~100%，Ti=6~60s。

（1）一般來說，在整定中，觀察到曲線震蕩很頻繁，需把比例帶增大以減少震蕩；當曲線最大偏差大且趨于非周期過程時，需把比例帶減少

（2）當曲線波動較大時，應增大積分時間；曲線偏離給定值后，長時間回不來，則需減小積分時間，以加快消除余差。

（3）如果曲線震蕩的厲害，需把微分作用減到最小，或暫時不加微分；曲線最大偏差大而衰減慢，需把微分時間加長而加大作用

（4）比例帶過小，積分時間過小或微分時間過大，都會產生周期性的激烈震蕩。積分時間過小，震蕩周期較長；比例帶過小，震蕩周期較短；微分時間過大，震蕩周期最短

（5）比例帶過大或積分時間過長，都會使過渡過程變化緩慢。比例帶過大，曲線如不規則的波浪較大的偏離給定值。積分時間過長，曲線會通過非周期的不正常途徑，慢慢回復到給定值。

注意：當積分時間過長或微分時間過大，超出允許的范圍時，不管如果改變比例帶，都是無法補救的

PID調試步驟

沒有一種控制算法比PID調節規律更有效、更方便的了。現在一些時髦點的調節器基本源自PID。甚至可以這樣說：PID調節器是其它控制調節算法的嗎。

為什么PID應用如此廣泛、又長久不衰？

因為PID解決了自動控制理論所要解決的最基本問題，既系統的穩定性、快速性和準確性。調節PID的參數，可實現在系統穩定的前提下，兼顧系統的帶載能力和抗擾能力，同時，在PID調節器中引入積分項，系統增加了一個零積點，使之成為一階或一階以上的系統，這樣系統階躍響應的穩態誤差就為零。

由于自動控制系統被控對象的千差萬別，PID的參數也必須隨之變化，以滿足系統的性能要求。這就給使用者帶來相當的麻煩，特別是對初學者。下面簡單介紹一下調試PID參數的一般步驟：

1．負反饋

自動控制理論也被稱為負反饋控制理論。首先檢查系統接線，確定系統的反饋為負反饋。例如電機調速系統，輸入信號為正，要求電機正轉時，反饋信號也為正（PID算法時，誤差=輸入-反饋），同時電機轉速越高，反饋信號越大。其余系統同此方法。

2．PID調試一般原則

a.在輸出不振蕩時，增大比例增益P。

b.在輸出不振蕩時，減小積分時間常數Ti。

c.在輸出不振蕩時，增大微分時間常數Td。

3．一般步驟

a.確定比例增益P

確定比例增益P 時，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令Ti=0、Td=0（具體見PID的參數設定說明），使PID為純比例調節。輸入設定為系統允許的最大值的60%~70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統出現振蕩；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設定PID的比例增益P為當前值的60%~70%。比例增益P調試完成。

b.確定積分時間常數Ti

比例增益P確定后，設定一個較大的積分時間常數Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統出現振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti，直至系統振蕩消失。記錄此時的Ti，設定PID的積分時間常數Ti為當前值的150%~180%。積分時間常數Ti調試完成。

c.確定微分時間常數Td

積分時間常數Td一般不用設定，為0即可。若要設定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時的30%。

d.系統空載、帶載聯調，再對PID參數進行微調，直至滿足要求。