pid控制原理詳解

硬件型號：海勝VB7000

系統(tǒng)版本：調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)

PID算法的執(zhí)行流程是非常簡單的，即利用反饋來檢測偏差信號，并通過偏差信號來控制被控量。而控制器本身就是比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的加和。其功能框圖如下：

考慮在某個特定的時刻t，此時輸入量為rin(t)，輸出量為rout(t)，于是偏差就可計算為err(t)=rin(t)-rout(t)。于是PID的基本控制規(guī)律就可以表示為如下公式：

其中Kp為比例帶，T_I為積分時間，T_D為微分時間。PID控制的基本原理就是如此。

1、比例

成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。比例控制器的輸出u(t)與輸入偏差e(t)成正比，能迅速反映偏差，從而減小偏差，但不能消除靜差。靜差是指系統(tǒng)控制過程趨于穩(wěn)定時，給定值與輸出量的實測值之差。偏差存在，才能使控制器維持一定的控制量輸出，因此比例控制器必然存在著靜差。由偏差理論知，增大疋雖然可以減小偏差，但不能徹底消除偏差。比例控制作用的大小除與偏差e(t)有關(guān)之外，還取決于比例系數(shù)Kp的大小。比例系數(shù)Kp越小，控制作用越小，系統(tǒng)響應(yīng)越慢；反之，比例系數(shù)Kp越大，控制作用也越強(qiáng)，則系統(tǒng)響應(yīng)越快。但是，Kp過大會使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)和振蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性能變差。因此，不能將Kp選取過大，應(yīng)根據(jù)被控對象的特性來折中選取Kp，使系統(tǒng)的靜差控制在允許的范圍內(nèi)，同時又具有較快的響應(yīng)速度。

2、積分

積分環(huán)節(jié)的作用，主要用于消除靜差提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱，取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。積分控制作用的存在與偏差e(t)的存在時間有關(guān)，只要系統(tǒng)存在著偏差，積分環(huán)節(jié)就會不斷起作用，對輸入偏差進(jìn)行積分，使控制器的輸出及執(zhí)行器的開度不斷變化，產(chǎn)生控制作用以減小偏差。在積分時間足夠的情況下，可以完全消除靜差，這時積分控制作用將維持不變。Ti越小，積分速度越快，積分作用越強(qiáng)。積分作用太強(qiáng)會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。

3、微分

微分環(huán)節(jié)的作用能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），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)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。積分控制作用的引入雖然可以消除靜差，但是降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，特別是對于具有較大慣性的被控對象，用PI控制器很難得到很好的動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)，系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的超調(diào)和振蕩，這時可以引入微分作用。在偏差剛出現(xiàn)或變化的瞬間，不僅根據(jù)偏差量作出及時反應(yīng)（即比例控制作用），還可以根據(jù)偏差量的變化趨勢（速度）提前給出較大的控制作用（即微分控制作用），將偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這樣可以大大減小系統(tǒng)的動態(tài)偏差和調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)得以改善。微分環(huán)節(jié)有助于系統(tǒng)減小超調(diào)，克服振蕩，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào)節(jié)時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，但微分時間常數(shù)過大，會使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定。微分控制作用一個很大的缺陷是容易引入高頻噪聲，所以在干擾信號比較嚴(yán)重的流量控制系統(tǒng)中不宜引入微分控制作用。

微分控制作用的階躍響應(yīng)特性對于一個恒定的偏差量，不管其數(shù)值有多大，微分控制作用均為零。因此，微分作用不能消除靜差，單獨使用意義不大，一般需要與比例、積分控制作用配合使用，構(gòu)成PD或PID控制。

對于PID控制，在控制偏差輸入為階躍信號時，立即產(chǎn)生比例和微分控制中作用。由于在偏差輸入的瞬時，變化率非常大，微分控制作用很強(qiáng)，此后微分控制作用迅速衰減，但積分作用越來越大，直至最終消除靜差。PID控制綜合了比例、積分、微分3種作用，既能加快系統(tǒng)響應(yīng)速度、減小振蕩、克服超調(diào)，亦能有效消除靜差，系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)得到很大改善，因而PID控制器在工業(yè)控制中得到了最為廣泛的應(yīng)用。